热木星 (有时称为热土星 )是一类系外行星 ,被推断在物理上与木星 相似,但轨道周期 很短(“P”<10天 )的气态巨行星 [ 1] 。它们离恒星很近,表面大气温度很高,因此被非正式地命名为“热木星”[ 2] 。
艺术家想像下的一颗热木星-因自身的热而发出红光。
一位艺术家对围绕其母恒星运行之热木星的印象。
热木星是最容易通过径向速度法 探测到的太阳系外行星,因为与其它已知类型的行星相比,它们在母恒星运动中引发的振荡相对较大且快速。最著名的热木星之一是飞马座51b 。它于1995年被发现,是第一颗围绕类太阳 恒星 运行的太阳系外行星。飞马座51 b 的轨道周期 大约是4天[ 3] 。
截至2014年1月2日发现的热木星(沿左边缘,包括大多数使用凌日法 探测到的行星,用黑点表示)。
隐藏着水的热木星[ 4] 。
尽管热木星之间存在着多样性,但它们确实有一些共同的特性。
它们的决定性特征是质量大,轨道周期短,跨越0.36–11.8木星质量和1.3–111地球日[ 5] 。质量不能大于大约13.6木星质量,因为届时行星内部的压力和温度将高到足以引起氘 聚变,而这颗行星将是棕矮星 [ 6] 。
大多数轨道接近圆形(低离心率 )。人们认为它们的轨道是由附近恒星的摄动 或潮汐力 圆化的[ 7] 。它们是在这些圆形轨道上长时间停留,还是与宿主恒星碰撞,取决于它们的轨道和物理演化的耦合,这通过能量耗散和潮汐变形而相关[ 8] 。
许多具有异常低的密度。到目前为止测得的最低值是TrES-4b 的0.222g/cm3 [ 9] 。热木星的半径能有多大尚不完全清楚,但人们认为,膨胀的包层可归因于恒星的高辐射、大气的高不透明性、可能的内部能源,以及轨道离恒星足够近,使行星外层超过洛希极限 并被进一步向外拉[ 9] [ 10] 。
通常情况下,它们被潮汐锁定,一边总是面向宿主恒星[ 11] 。
由于它们的周期短,而且有潮汐锁定 ,因此很可能有极端和奇异的大气层[ 3] 。
大气动力学模型预测了强烈的垂直分层,强风和由辐射强迫以及热量和动量传递驱动的超旋转赤道喷流[ 12] [ 13] 。最近的模型还预测了各种风暴(旋涡),它们可以混合并输送大气层的冷热气体区域[ 14] 。
基于HD 209458 b 的模型预测,大气层的昼夜温差很大,约为500 K(227 °C;440 °F)[ 13]
它们似乎在F- 和G型恒星 周围更常见,而在K型恒星 附近则不那么常见。红矮星 周围的热木星非常罕见[ 15] 。对这些行星分布的概括,必须考虑到各种观测偏差,但总的来说,它们的普遍性随着恒星绝对星等的函数呈指数级下降[ 16] 。
天文学界对热木星的起源有两大观点:迁移说和原位形成说,迁移说是目前学界流行的理论[ 17] 。
迁移说认为,在恒星系的早期阶段,热木星先是在恒星系冻结线 外由岩石、冰块、气体聚合形成。行星形成后,热木星轨道内移,在距离恒星很近的地方形成稳定轨道。热木星可能是通过II型迁移 移动进入内层轨道[ 18] [ 19] [ 20] ,也可能是因为受到了其他大质量天体干扰才进入内层轨道[ 21] 。像大迁徙假说 指出太阳系 的木星 也曾迁移,若无与随后的土星 产生重力交互作用,也有可能变成热木星。
原位形成说认为,热木星原本是超级地球 形的岩石行星,在形成后逐渐吸附周围气体形成气态巨行星,原来的岩石行星成为巨行星的固态内核。根据推算,固体表面的密度要达到104 g/cm2 才可能成为气态巨行星的内核,因此这一学说受到质疑[ 22] [ 23] [ 24] 。
因热木星十分靠近恒星,它们的大气层可能会因为热量被逐渐剥离。在大气层被完全剥离之后,它们残留的核可能成为冥府行星 [ 25] 。但目前尚未实际发现冥府行星,因此这一理论目前还属于假说。
模拟显示,一颗木星大小的行星在圆形星盘内的迁移(在恒星距离5天文单位至0.1天文单位之间),不如像一般人想象的具有毁灭性。超过60%的固体物质,包括能够形成原行星盘的星子 和原行星 ,会被气体巨星驱离[ 26] 。在模拟中,在热木星通过之并且轨道稳定在0.1天文单位的距离后,2个地球质量大小的行星会在适居带 的区域内出现。由于混合了从冻结线 之外被带入至内太阳系内的材料,模拟显示在热木星通过之后才形成的类地行星,含有的水分特别多[ 26] 。
不少已被发现的热木星均有着一个逆行轨道,而这导致天文学家们对热木星的形成产生了疑问。[ 27] 虽然这些热木星的轨道可能被影响了,但天文学家们却相信是恒星因恒星磁场和行星形成盘之间的作用力,而使其自转相反了,才导致这些热木星有着一个逆行轨道。[ 28]
虽然开普勒7b 的质量只有木星 的一半,但其体积还比木星大得多[ 29]
质量极低的热木星被称为蓬松行星(puffy planets )或热土星(hot Saturns ),全因它们的密度与土星 相若。至今,天文学家已发现六个蓬松行星,它们分别是:HAT-P-1b [ 30] 、柯洛1b 、TrES-4 、WASP-12b 、WASP-17b 和开普勒7b 。[ 31] 这些蓬松行星的质量皆小于半个木星。若蓬松行星的质量接近木星,那么其重力就会将行星大小压缩到接近木星的大小。[ 32]
理论上,热木星很可能没有任何天然卫星 ,全因其希尔球 太小和恒星的潮汐力 影响,导致热木星无法稳定其卫星。尽管热木星有卫星,但这些卫星的大小将会与小行星大小差不多。[ 33]
Chauvin, G.; Lagrange, A.-M.; Zuckerman, B.; Dumas, C.; Mouillet, D.; Song, I.; Beuzit, J.-L.; Lowrance, P.; Bessell, M. S. A companion to AB Pic at the planet/Brown dwarf boundary. Astronomy & Astrophysics. 2005, 438 (3): L29–L32. Bibcode:2005A&A...438L..29C . S2CID 119089948 . arXiv:astro-ph/0504658 . doi:10.1051/0004-6361:200500111 .
Mandushev, Georgi; O'Donovan, Francis T.; Charbonneau, David; Torres, Guillermo; Latham, David W.; Bakos, Gáspár Á.; Dunham, Edward W.; Sozzetti, Alessandro; Fernández, José M. TrES-4: A Transiting Hot Jupiter of Very Low Density. The Astrophysical Journal. 2007-10-01, 667 (2): L195–L198. Bibcode:2007ApJ...667L.195M . S2CID 6087170 . arXiv:0708.0834 . doi:10.1086/522115 (英语) .
Cho, J. Y.-K.; Skinner, J. W.; Thrastarson, H. Th. Storms, Variability, and Multiple Equilibria on Hot-Jupiters. 2021-05-26. arXiv:2105.12759 [astro-ph.EP ].
Dawson, Rebekah I.; Johnson, John Asher, Rebekah I.; Johnsom, John Asher. Origins of Hot Jupiters. 2018. arXiv:1801.06117 .
Knutson, Heather A.; Fulton, Benjamin J.; Montet, Benjamin T.; Kao, Melodie; Ngo, Henry; Howard, Andrew W.; Crepp, Justin R.; Hinkley, Sasha; Bakos, Gaspar Á. Friends of Hot Jupiters. I. A Radial Velocity Search for Massive, Long-period Companions to Close-in Gas Giant Planets . The Astrophysical Journal. 2014-01-01, 785 (2): 126 [2019-01-18 ] . Bibcode:2014ApJ...785..126K . ISSN 0004-637X . arXiv:1312.2954 . doi:10.1088/0004-637X/785/2/126 . (原始内容存档 于2019-12-13) (英语) .
Fogg, Martyn J.; Richard P. Nelson. On the formation of terrestrial planets in hot-Jupiter systems. A&A. 2007, 461 : 1195–1208. .