一個(gè)國際合作小組，包括來自美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和新墨西哥大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆新的類似海王星大小的系外行星，其軌道周期為24天，圍繞著附近的一顆M型矮星運(yùn)行。最近的發(fā)現(xiàn)提供了令人興奮的研究機(jī)會，這要?dú)w功于該行星的大量大氣層、小恒星以及該系統(tǒng)遠(yuǎn)離地球的速度。

這項(xiàng)研究的題目是TOI-1231 b：一顆溫帶的、海王星大小的行星繞著附近的M3矮星NLTT 24399運(yùn)行，將發(fā)表在未來的一期《天文雜志》上。這顆名叫TOI-1231 b是的系外行星利用凌日系外行星探測衛(wèi)星（TESS）的測光數(shù)據(jù)探測到并通過智利拉斯坎帕納斯天文臺的麥哲倫克萊望遠(yuǎn)鏡上的行星探測光譜儀（PFS）進(jìn)行跟蹤觀測。PFS是一個(gè)復(fù)雜的儀器，通過它們對其宿主恒星的引力影響來探測系外行星。當(dāng)行星繞著它們的宿主運(yùn)行時(shí)，測量到的恒星速度會周期性地變化，揭示出行星的存在以及關(guān)于它們的質(zhì)量和軌道的信息。

美國宇航局的TESS所采用的觀測策略，將每個(gè)半球分為13個(gè)區(qū)，大約進(jìn)行28天的調(diào)查，正在產(chǎn)生最全面的凌日行星全天空搜索。這種方法已經(jīng)證明了它有能力探測到從類日星到低質(zhì)量的M型矮星周圍的大型和小型行星。M型矮星，也被稱為紅矮星，是銀河系中最常見的恒星類型，約占銀河系所有恒星的70%。

M型矮星較小，只擁有我們太陽質(zhì)量的一小部分，光度較低。因?yàn)镸型矮星比較小，當(dāng)一個(gè)特定大小的行星經(jīng)過這顆恒星時(shí)，被行星擋住的光量比較大，使得行星過境更容易被發(fā)現(xiàn)。想象一下，一顆類似于地球的行星在一顆太陽大小的恒星面前經(jīng)過，它將會擋住一小部分光；但是如果它在一顆小得多的恒星面前經(jīng)過，被擋住的光的比例將會更大。從某種意義上說，這在恒星的表面形成了一個(gè)更大的陰影，使M型矮星周圍的行星更容易被探測到，也更容易研究。

雖然它能夠在整個(gè)天空中探測到系外行星，但TESS的調(diào)查策略也會產(chǎn)生基于軌道周期的重大觀測偏差。系外行星必須在TESS的觀測范圍內(nèi)至少穿越其宿主恒星兩次，才能被科學(xué)處理操作中心（SPOC）管道和快速觀測管道（QLP）探測到正確的周期，這兩個(gè)管道分別搜索TESS的2分鐘和30分鐘節(jié)奏的數(shù)據(jù)。由于TESS總天空覆蓋率的74%只觀測了28天，所以TESS探測到的大多數(shù)系外行星的周期都小于14天。因此，TOI-1231b的24天周期使得它的發(fā)現(xiàn)更有價(jià)值。

美國宇航局JPL的科學(xué)家Jennifer Burt（伯特）是這篇論文的主要作者，她的合作者包括UNM物理和天文學(xué)系的助理教授Diana Dragomir（德拉戈米爾），他們測量了該行星的半徑和質(zhì)量。伯特說：'與分布在全球各地的一群優(yōu)秀的天文學(xué)家合作，我們能夠收集必要的數(shù)據(jù)來描述主星的特征，并測量該行星的半徑和質(zhì)量。這些數(shù)值反過來使我們能夠計(jì)算出該行星的體積密度，并假設(shè)該行星是由什么構(gòu)成的。TOI-1231 b的大小和密度與海王星相當(dāng)相似，所以我們認(rèn)為它有一個(gè)類似的大型氣態(tài)大氣。'圍繞M型矮星宿主運(yùn)行的系外行星的另一個(gè)優(yōu)勢是，我們可以更容易地測量它們的質(zhì)量，因?yàn)樾行琴|(zhì)量與恒星質(zhì)量的比率也較大。當(dāng)恒星較小，質(zhì)量較小時(shí)，已有的探測方法可以更好地工作，因?yàn)樾行窍鄬τ诤阈莵碚f更容易突出。就像投在恒星上的陰影。恒星越小，恒星的質(zhì)量越小，就越能檢測到行星的影響。即使TOI 1231b離它的恒星比地球離太陽的距離近八倍，它的溫度也與地球相似，這要?dú)w功于它的主星更冷更不亮，然而，這顆行星本身實(shí)際上比地球大，比海王星小一點(diǎn)--我們可以稱它為亞海王星。'

伯特和德拉戈米爾在麻省理工學(xué)院卡夫利研究所擔(dān)任研究員時(shí)就開始了這項(xiàng)研究，他們與專門觀察和描述小行星大氣層的科學(xué)家合作，以弄清哪些當(dāng)前和未來的天基任務(wù)可能能夠窺視TOI-1231 b的外層，以告知研究人員到底有哪些氣體在圍繞著這顆行星旋轉(zhuǎn)。TOI-1231b的溫度約為330開爾文或140華氏度，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最冷的、可用于大氣研究的小型系外行星之一。

過去的研究表明，如此冰冷的行星可能在其大氣層的高處有云層，這使得很難確定它們周圍有什么類型的氣體。但是對另一顆名為K2-18 b的小型冰冷行星的新觀察打破了這一趨勢，并顯示出其大氣層中存在水的證據(jù)，令許多天文學(xué)家感到驚訝。伯特說：'TOI-1231 b是我們所知道的類似大小和溫度范圍的唯一其他行星之一，因此未來對這顆新行星的觀測將讓我們確定在這些溫帶世界周圍形成水云是多么常見（或罕見）。'

此外，由于其宿主恒星具有較高的近紅外（NIR）亮度，它將成為哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）和詹姆斯-韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）未來任務(wù)的一個(gè)令人興奮的目標(biāo)。由該論文的共同作者之一領(lǐng)導(dǎo)的第一組這些觀測，應(yīng)該在本月晚些時(shí)候使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行。

'TOI 1231b的低密度表明它被大量的大氣層所包圍，而不是一個(gè)巖質(zhì)行星。但是這個(gè)大氣層的組成和范圍是未知的，'德拉戈米爾說。'TOI1231b可能有一個(gè)大的氫氣或氫氦大氣層，或者一個(gè)更密集的水蒸氣大氣層。每一種都指向不同的起源，使天文學(xué)家能夠了解與我們太陽周圍的行星相比，M型矮星周圍的行星是否以及如何形成不同的行星，例如。我們即將進(jìn)行的HST觀測將開始回答這些問題，而JWST有望對該行星的大氣層進(jìn)行更徹底的觀察。'

研究該行星大氣層的另一種方法是調(diào)查氣體是否被吹走，通過尋找該行星周圍氫和氦等原子的證據(jù)，因?yàn)樗┻^其主星的表面。一般來說，氫原子幾乎不可能被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈兊拇嬖诒恍请H氣體所掩蓋。但是這個(gè)行星-恒星系統(tǒng)提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會來應(yīng)用這種方法，因?yàn)樗h(yuǎn)離地球的速度非常快。

伯特說：'過去20年系外行星科學(xué)最令人感興趣的結(jié)果之一是，到目前為止，我們發(fā)現(xiàn)的新行星系統(tǒng)沒有一個(gè)看起來像我們的太陽系。他們充滿了地球和海王星大小之間的行星，其軌道比水星的短得多，所以我們沒有任何本地的例子可以與之比較。我們發(fā)現(xiàn)的這顆新行星仍然很奇怪--但它離有點(diǎn)像我們附近的行星又進(jìn)了一步。與迄今為止探測到的大多數(shù)凌日行星相比，它們的溫度通常在數(shù)百或數(shù)千度之間，而TOI-1231 b是非常寒冷的。這顆行星加入了其他兩三顆附近的小型系外行星的行列，在未來的幾年里，我們將利用各種望遠(yuǎn)鏡對其進(jìn)行仔細(xì)檢查，所以請密切關(guān)注TOI1231b的新進(jìn)展！'