这 6 颗系外行星以完美的节奏绕恒星运行

距地球 200 光年之外，有一个与迄今为止发现的其他行星系统截然不同的行星系统。它至少包含六颗行星，其中五颗行星以某种特殊的引力“探戈”形式相互锁定。更奇怪的是，这些行星的排列方式完全违背了大多数太阳系遵循的标准布局。这群不合群的行星被称为 TOI-178，它向行星科学家提出了挑战，要求他们完善太阳系如何稳定下来的理论。

“这是一个里程碑式的系统，”瑞士日内瓦大学天文学家、发现系外行星的天文学家之一内森·哈拉 (Nathan Hara) 说。“这是未来值得研究的东西。”

2018 年，TOI-178 引起了研究人员的注意，当时 NASA 的系外行星搜寻卫星 TESS 发现了一颗恒星，其变暗模式表明这是一个独一无二的行星系统。研究人员在寻找遥远行星时，会通过观察恒星并记录行星从它们前面经过的时间，测量由此产生的亮度变暗来做到这一点。在这个系统的三颗行星中，有两颗似乎共享一个为期十天的轨道，其中一颗围绕着另一颗追逐着它们的主恒星。

这种结构非常奇特，值得欧洲系外行星特征卫星 (CHEOPS) 在去年 8 月投入 11 天进行观测——这是迄今为止 CHEOPS 对单个目标分配的最长时间段。

但当天文学家仔细阅读数据时，他们发现 TOI-178 并非表面上看起来的那样。两颗系外行星一直伪装成一颗行星，它们的轨道周期分别为 15 天和 20 天，每十天恰好会遮蔽恒星一次，就好像它们是同一个世界一样。“在 TESS 数据中，我们发现了一种极不可能的配置，其中一颗真正的行星恰好落在其他行星两次凌日之间，”Hara 说。“发生这种情况的概率为千分之一。”

他们观察的时间越长，看到的行星就越多。CHEOPS 的观测证实了其他望远镜的中间工作，最终大约 200 名天文学家的合作成功拼凑出该系统更完整的图景。TOI-178 恒星的变暗和摆动揭示了六颗紧密堆积在一起的系外行星的存在。第一颗行星每两天围绕恒星疯狂旋转一次，而第六颗行星则需要三周时间。（相比之下，水星围绕太阳公转的时间接近三个月。）该团队于周一在预印本中描述了该系统，该论文已被《天文学和天体物理学》杂志接受发表。

TOI-178 最吸引人的特征之一是其大部分行星的运动如何以“共振”现象协调一致。如果你将几颗行星扔进恒星的轨道，你可能会认为它们的公转周期完全不相关，但事实并非如此。天文学家经常观察到行星在轨道上以这样的方式运行，它们会发现自己以规则的间隔与邻居形成相同的结构，类似于音乐中的音符如何排列形成和弦（从数学上讲，轨道周期的比率是简单的分数）。你可以在这段由欧洲南方天文台制作的视频中看到 TOI-178 系外行星的轨道如何排列，并听到它们的天籁之音。

这样的系统可以以不同的方式形成，但一般的想法是，共振的行星“相互交流”，原解释说，几乎就像它们“被弹簧连接起来”一样。当行星每隔几圈就排成一线时，它们就会靠得足够近，以引力相互拉动，从而防止它们脱离共振状态。

在 TOI-178 中，除第一颗行星外，所有行星都与邻近行星配对，形成共振“链”——当天文学家寻找缺失的环节时，这种结构实际上让天文学家发现了其中一颗行星。

共振链也是了解该系统过去的一扇窗户。行星之间的联系很脆弱，很容易被太阳系常见的戏剧性事件所破坏，比如与路过的恒星擦肩而过，或者一颗行星将另一颗行星撞飞。TOI-178 脆弱的共振链幸存下来表明，正如 Hara 所说，“过去十亿年里没有发生过太过剧烈的事件。”

令人印象深刻的共振链与其他系统（如 TRAPPIST-1）交织在一起，但真正使 TOI-178 与众不同的是其有序轨道与杂乱排列之间的冲突。

大多数太阳系都会将致密的岩石行星（例如水星、金星）置于靠近恒星的位置。然后行星越靠近恒星，其密度就越小，气体也越多（木星很大，但密度只有地球的四分之一）。研究人员仍在研究这种现象发生的原因，但一般理论认为，内行星的温度往往更高，这会蒸发掉气体大气层，留下主要是岩石的内核。遥远的行星也受益于寒冷的温度，这使得冰在行星形成过程中发挥更大的作用。

然而，当 TOI-178 形成时，它却忽视了这些规范。它一开始还算合理，恒星附近有两个岩石超大地球。然后事情变得古怪起来。第三颗行星几乎是整个系统中最细小的行星，密度比木星还低。第二颗行星的密度突然上升，小幅上升到海王星密度，大幅度上升到接近火星密度。最后一颗行星是所有行星中密度最小的。

虽然标准排序更多的是一种建议而非规则，但 TOI-178 的存在却让研究人员感到困惑，尤其是考虑到其整齐的共振链使得行星在近期发生剧烈的重新排序的可能性不大。“怎么可能存在这样温和进化的东西，却仍然有如此巨大的 [密度] 差异，”Hara 说。“我们不习惯这种情况。”

当理论家们仔细思考该系统是如何形成的时，天文学家们预计会扩大他们对 TOI-178 的描绘。未来的观测活动可能会尝试延长共振链，寻找能为天体和弦增添补充音符的其他行星。（接下来的两个环节将落在恒星的宜居带内或附近）。

主恒星的亮度也异常明亮，这也是哈拉和他的同事能够如此精确地测量行星质量的原因之一。它发出如此多的光，以至于即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜应该能够推断出行星的大气层，为研究人员提供有关行星形成方式的更多线索。

“这是共振中最明亮的系统，”Hara说道，“它将引发非常丰富的后续观测。”