三十年前，当天文学家发现首批围绕其他恒星运行的世界时，他们也开始了所谓的银河系行星普查，统计银河系中系外行星的数量和类型。尽管彻底调查我们星系数千亿颗恒星是不可行的，但它们的代表性样本可以提供重要的信息。通过研究这样一个样本的行星数量，研究人员希望了解哪些类型的世界最常见或最稀有，以及我们自己的地球和太阳系与它们相比如何。
但是，有几种不同的方法可以找到行星，每种方法往往最适合不同类型的世界，这可能导致结果出现偏差。迄今为止，主要的探测技术是通过寻找行星对其恒星的微妙影响来推断行星的存在，这些技术对非常靠近恒星的巨行星最敏感。这些世界的轨道“年”短至几天或几周，而太阳系中不存在这样的世界。相比之下，直接观测行星——称为直接成像——需要将行星与恒星压倒性的眩光区分开来，这对于位于星系外围的巨行星来说最容易做到。如果这样的轨道围绕我们的太阳，它们会将这些行星中的大多数置于冥王星之外很远的地方。
幸运的是，新的方法和更广泛的数据集现在让科学家们能够弥合这些极端之间的差距，结合多种行星探测技术的结果，以获得更好、更清晰的银河系真实行星数量的视图。《科学》杂志上发表的一项新研究是这种协同方法的首批成功案例之一，不仅获得了一颗新发现的“中间路线”行星，而且获得了一种更广泛的策略，用于寻找和研究更多其他行星。这些待发现行星中最大和最亮的行星也可能是未来直接成像工作的良好候选者，有可能让天文学家辨别出它们的大气层和气候。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
美国宇航局艾姆斯研究中心的行星猎手、该研究的主要作者泰恩·柯里说：“当我们把[运动和图像]结合在一起时，我们就获得了行星的所有三个关键属性——它的轨道、质量和大气层——因此我们学到了更多。”
捕捉一颗恒星
柯里和他的同事们通过比较欧洲航天局盖亚探测器于 2021 年收集的关于 HIP 99770 b 的恒星运动数据，以及盖亚的前身、欧空局的依巴谷卫星在 1990 年代早期采集的类似但不太精确的测量数据，发现了他们的新行星，一颗名为 HIP 99770 b 的巨行星。盖亚和依巴谷都旨在使用一种称为天体测量的技术精确跟踪恒星的位置、距离和运动，从而绘制银河系恒星的地图（而不是行星）。但是天体测量也可以揭示行星：一颗行星围绕恒星运行会导致恒星的位置发生周期性的轻微偏移，在天空中来回振荡。通过确定这种偏移的大小和重复性，天文学家可以确定一颗看不见的行星的质量和轨道。
这颗行星的初步发现及其摄影后续观测之所以成为可能，仅仅是因为跨越数十年的盖亚-依巴谷数据，这些数据使得探测 HIP 99770 b 的长轨道成为可能。这个组合目录本身也花费了多年的时间才制作完成。在盖亚于 2016 年首次发布数据后，加州大学圣巴巴拉分校的天文学家、新研究的合著者蒂莫西·勃兰特发布了一份包含数万颗恒星的列表，这些恒星经过了早期依巴谷观测的交叉检查和扩充，并在 2021 年盖亚最新数据发布后再次更新。结果是，我们获得了大约 25 年的时间窗口，了解这些恒星如何在天空中移动。
一些团队已经开始挖掘新的数据库以寻找恒星伴星，“每个团队都有自己选择目标的具体信息，”德克萨斯大学奥斯汀分校研究系外行星大气层的研究员卡罗琳·莫利说，她没有参与这项新研究。
就 HIP 99770 b 而言，盖亚-依巴谷数据显示，它是一颗气态巨行星，其轨道距离恒星略远于天王星距太阳的距离——足够大、足够亮且远离其恒星宿主，因此可以直接成像。在夏威夷莫纳克亚山的斯巴鲁望远镜上使用 SCExAO 直接成像仪进行的后续观测证实了这些推测，揭示了这颗行星是一个被水蒸气和一氧化碳分子笼罩的点。气候模型表明，这颗行星的温度在 1300 到 1400 开尔文之间（在 1880 到 2060 华氏度之间）。尽管明显不像地球，但总的来说，HIP 99770 b 的特性使其成为地球相对较近的近亲。
“这是[从这个数据库中获得的]第一个可以真正声称‘这可能是一颗行星质量’的发现，”未参与该研究团队的贝丝·比勒说。苏格兰爱丁堡大学的天文学家比勒接着指出，这个重型天体位于行星和褐矮星之间的灰色地带，有些人可能会反对将其归类为行星。无论如何，“这肯定是这种方法探测到的质量最低的天体，”她说。
价值千言万语
像这样的结果可以帮助填补银河系行星普查中长期存在的空白。除了仅限于非常宽轨道上的非常大的行星外，目前直接成像工作最适合非常年轻的世界——年龄在 1000 万到 1 亿年之间——并且仍然因其形成过程中遗留的热量而发出光芒。比勒说，所有早期调查的累积结果都很重要，但仍然不尽如人意。“我们发现[热的、年轻的、宽轨道的]巨行星非常罕见，”她说。
虽然预计许多恒星都有某种行星在轨道上运行，但直接成像调查发现，很少有恒星在其边缘有巨行星。红外图像揭示了这些世界大气层的奥秘，模型提供了对其质量的估计。在直接成像捕获的数十颗系外行星中，天文学家仅设法使用间接行星探测技术的后续测量，更精确地缩小了其中两颗行星的质量范围。部分问题在于先前对年轻行星的观测偏好，这些行星具有相对年轻的宿主恒星，这些恒星比更成熟的恒星活跃得多，因此对基于恒星的伴星质量测量更具破坏性。
勃兰特说：“一旦你直接成像了一颗行星，在推导出它的物理特性时，就存在一定程度的猜测。”融合天体测量和直接成像不仅为寻找更多目标打开了大门；它还通过揭示每颗新发现行星的轨道和质量以及其大气层，消除了其中一些猜测。
尽管盖亚的目标是 20 亿颗恒星，但依巴谷只研究了 10 万颗，所有这些恒星都相对明亮且靠近地球。柯里估计，在组合目录中研究的恒星中，大约有三分之一有伴星，其中大多数是低质量恒星。如果在编目恒星中，每 100 颗有伴星的恒星中只有一颗有可拍照的行星，那么行星探测新方法的融合应该会显著增加天文学家很快可以直接观测到的世界总数。研究人员表示，到其为期十年的调查结束时，盖亚可能会额外识别出多达 100 颗行星，作为当前仪器直接成像的候选者——比迄今为止识别出的直接成像世界多四倍以上。这将拓宽我们对行星系统的了解，使其超越最年轻和最亮的行星，或许会展示更多像我们自己这样的世界。
柯里说：“新发现的产量高于我们仅仅进行盲搜所能获得的产量，而且我们获得的信息比我们仅仅进行直接成像所能获得的信息要丰富得多。”