熱木星 (有時稱為熱土星 )是一類系外行星 ,被推斷在物理上與木星 相似,但軌道週期 很短(「P」<10天 )的氣態巨行星 [ 1] 。它們離恆星很近,表面大氣溫度很高,因此被非正式地命名為「熱木星」[ 2] 。
藝術家想像下的一顆熱木星-因自身的熱而發出紅光。
一位藝術家對圍繞其母恆星運行之熱木星的印象。
熱木星是最容易通過徑向速度法 探測到的太陽系外行星,因為與其它已知類型的行星相比,它們在母恆星運動中引發的振盪相對較大且快速。最著名的熱木星之一是飛馬座51b 。它於1995年被發現,是第一顆圍繞類太陽 恆星 運行的太陽系外行星。飛馬座51 b 的軌道週期 大約是4天[ 3] 。
截至2014年1月2日發現的熱木星(沿左邊緣,包括大多數使用凌日法 探測到的行星,用黑點表示)。
隱藏著水的熱木星[ 4] 。
儘管熱木星之間存在著多樣性,但它們確實有一些共同的特性。
它們的決定性特徵是質量大,軌道週期短,跨越0.36–11.8木星質量和1.3–111地球日[ 5] 。質量不能大於大約13.6木星質量,因為屆時行星內部的壓力和溫度將高到足以引起氘 聚變,而這顆行星將是棕矮星 [ 6] 。
大多數軌道接近圓形(低離心率 )。人們認為它們的軌道是由附近恆星的攝動 或潮汐力 圓化的[ 7] 。它們是在這些圓形軌道上長時間停留,還是與宿主恆星碰撞,取決於它們的軌道和物理演化的耦合,這通過能量耗散和潮汐變形而相關[ 8] 。
許多具有異常低的密度。到目前為止測得的最低值是TrES-4b 的0.222g/cm3 [ 9] 。熱木星的半徑能有多大尚不完全清楚,但人們認為,膨脹的包層可歸因於恆星的高輻射、大氣的高不透明性、可能的內部能源,以及軌道離恆星足夠近,使行星外層超過洛希極限 並被進一步向外拉[ 9] [ 10] 。
通常情況下,它們被潮汐鎖定,一邊總是面向宿主恆星[ 11] 。
由於它們的週期短,而且有潮汐鎖定 ,因此很可能有極端和奇異的大氣層[ 3] 。
大氣動力學模型預測了強烈的垂直分層,強風和由輻射強迫以及熱量和動量傳遞驅動的超旋轉赤道噴流[ 12] [ 13] 。最近的模型還預測了各種風暴(旋渦),它們可以混合並輸送大氣層的冷熱氣體區域[ 14] 。
基於HD 209458 b 的模型預測,大氣層的晝夜溫差很大,約為500 K(227 °C;440 °F)[ 13]
它們似乎在F- 和G型恆星 周圍更常見,而在K型恆星 附近則不那麼常見。紅矮星 周圍的熱木星非常罕見[ 15] 。對這些行星分佈的概括,必須考慮到各種觀測偏差,但總的來說,它們的普遍性隨著恆星絕對星等的函數呈指數級下降[ 16] 。
天文學界對熱木星的起源有兩大觀點:遷移說和原位形成說,遷移說是目前學界流行的理論[ 17] 。
遷移說認為,在恆星系的早期階段,熱木星先是在恆星系凍結線 外由岩石、冰塊、氣體聚合形成。行星形成後,熱木星軌道內移,在距離恆星很近的地方形成穩定軌道。熱木星可能是通過II型遷移 移動進入內層軌道[ 18] [ 19] [ 20] ,也可能是因為受到了其他大質量天體干擾才進入內層軌道[ 21] 。像大遷徙假說 指出太陽系 的木星 也曾遷移,若無與隨後的土星 產生重力交互作用,也有可能變成熱木星。
原位形成說認為,熱木星原本是超級地球 形的岩石行星,在形成後逐漸吸附周圍氣體形成氣態巨行星,原來的岩石行星成為巨行星的固態內核。根據推算,固體表面的密度要達到104 g/cm2 才可能成為氣態巨行星的內核,因此這一學說受到質疑[ 22] [ 23] [ 24] 。
因熱木星十分靠近恆星,它們的大氣層可能會因為熱量被逐漸剝離。在大氣層被完全剝離之後,它們殘留的核可能成為冥府行星 [ 25] 。但目前尚未實際發現冥府行星,因此這一理論目前還屬於假說。
模擬顯示,一顆木星大小的行星在圓形星盤內的遷移(在恆星距離5天文單位至0.1天文單位之間),不如像一般人想像的具有毀滅性。超過60%的固體物質,包括能夠形成原行星盤的星子 和原行星 ,會被氣體巨星驅離[ 26] 。在模擬中,在熱木星通過之並且軌道穩定在0.1天文單位的距離後,2個地球質量大小的行星會在適居帶 的區域內出現。由於混合了從凍結線 之外被帶入至內太陽系內的材料,模擬顯示在熱木星通過之後才形成的類地行星,含有的水分特別多[ 26] 。
不少已被發現的熱木星均有著一個逆行軌道,而這導致天文學家們對熱木星的形成產生了疑問。[ 27] 雖然這些熱木星的軌道可能被影響了,但天文學家們卻相信是恆星因恆星磁場和行星形成盤之間的作用力,而使其自轉相反了,才導致這些熱木星有著一個逆行軌道。[ 28]
雖然克卜勒7b 的質量只有木星 的一半,但其體積還比木星大得多[ 29]
質量極低的熱木星被稱為蓬鬆行星(puffy planets )或熱土星(hot Saturns ),全因它們的密度與土星 相若。至今,天文學家已發現六個蓬鬆行星,它們分別是:HAT-P-1b [ 30] 、柯洛1b 、TrES-4 、WASP-12b 、WASP-17b 和克卜勒7b 。[ 31] 這些蓬鬆行星的質量皆小於半個木星。若蓬鬆行星的質量接近木星,那麼其重力就會將行星大小壓縮到接近木星的大小。[ 32]
理論上,熱木星很可能沒有任何天然衛星 ,全因其希爾球 太小和恆星的潮汐力 影響,導致熱木星無法穩定其衛星。儘管熱木星有衛星,但這些衛星的大小將會與小行星大小差不多。[ 33]
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