橫過黑子的行星展現出傾斜的行星系統之姿

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主譯：梁晨

校譯：余路漢

審核：牧夫天文校對組

美編：張少巖

后臺：李子琦

https://www.abc-nins.jp/a-planet-crossing-starspots-reveals-the-detailed-architecture-of-the-toi-3884-system/

TOI-3884系的示意圖。超級海王星TOI-3884b在擁有巨大黑子的紅矮星TOI-3884面前橫穿而過。圖片來源：森萬由子，天體生物學中心（使用了AI圖像處理軟件）

當下盛行太陽系外行星的大氣觀測，所以正確了解恒星表面黑子特征對觀測結果的影響也愈加重要。研究黑子特征的絕佳機會，就是當行星經過恒星黑子前方的“黑子通過凌星”現象。

此次，由日本自然科學研究機構天體生物學中心與東京大學的研究者們（森萬由子青年特別研究員、福井曉彥講師、平野照幸副教授、成田憲保教授、John Livingston特任助教）組成的國際團隊，通過地面望遠鏡的組合觀測，詳細揭示了TOI-3884行星系統的黑子特征及其軌道傾角。研究成果于2025年9月8日發表于學術雜志《Astronomical Journal》。

研究背景

2021年由NASA發射的詹姆斯韋布太空望遠鏡（JWST）為太陽系外行星的大氣研究帶來了飛躍性進步。

行星大氣的觀測主要是通過不同波長的光來觀測行星從恒星前方橫穿時的被遮擋和變暗的現象（凌星現象）。觀測時可以從不同波長下光度變暗方式（減光率）的差異來推斷行星大氣的分子和原子成分。JWST可以探測到0.01%精度的減光率差異，但同時也帶來了以前不需要考慮的細微影響。其中之一就是，恒星表面存在的黑子的影響。與太陽一樣，很多恒星上有一些溫度很低很暗的黑子區域。在凌星現象觀測中，黑子會引起波長的減光率差異，也可能會模仿行星大氣發出信號。因此，正確理解黑子性質，排除它的影響，成為行星大氣觀測的重大課題。

TOI-3884是一顆距離地球約140光年的紅矮星，其周圍環繞著一顆半徑約為地球6倍的行星TOI-3884b。

TOI-3884b會發生凌星現象，但它有一個特別之處：每次經過恒星前方時，總是掠過恒星表面的黑子。這種現象被稱為“黑子通過凌星”（見圖1）。能夠反復觀察到黑子通過凌星的行星系非常罕見，因此TOI-3884系是一個可以同時研究恒星黑子性質和行星軌道的珍貴目標。

圖1：黑子通過凌星（上圖）發生時的恒星明暗變化示意圖（下圖）。

當行星經過黑子前方時，由于行星遮擋的是相對較暗的區域，減光率會變小，從而在光變曲線上形成一個“凸起”。（圖片來源：森萬由子，天體生物學中心）

另一方面，先前對TOI-3884系的特征進行的2項研究（Almenara et al., 2022; Libby-Roberts et al., 2023）報告顯示了恒星自轉軸角度和自轉速度等若干重要物理變量結果不一致。因此本研究旨在通過地面望遠鏡進行更高精度觀測，詳解TOI-3884系的詳細結構。

研究成果

在本研究中，為了觀測TOI-3884系的黑子通過凌星現象，我們使用了美國拉斯昆布雷斯天文臺（Las Cumbres Observatory; LCO）分別在夏威夷和澳大利亞所擁有的口徑2米的望遠鏡，以及安裝在這些望遠鏡上的多色相機MuSCAT3、MuSCAT4。

在2024年2月至3月期間，我們成功觀測到3次凌星現象，并且多波段高精度的捕捉到了黑子通過的信號（見圖2）。黑子通過的信號在藍光到紅光不同波段上的幅度差異，是推斷黑子溫度的重要信息。

從恒星亮度的時間上變化解析（光變曲線）來看，黑子比恒星的溫度（大約3150開爾文）低200開爾文，并且覆蓋了約15%的恒星可見面積。此外，我們還確認了此前尚未被清晰捕捉到的黑子通過信號的形狀的時間上變化。由于在短短一個月的時間里黑子的形狀不太可能發生顯著變化，因此推斷這一現象反映的是恒星自轉導致的黑子位置變化。

圖2：MuSCAT3、MuSCAT4觀測到的TOI-3884b系3次的黑子通過凌星時的光變曲線（下圖），此時黑子和行星的位置關系模型圖（上圖）

從左到右展示了不同時日觀測到3次凌星，4色的點代表4種不同波長（g, r, i, z波段）下觀測到的數據。模型中的黑色圓形代表行星，灰色圓形代表黑子。x標記是恒星的極點，虛線是恒星的赤道，破折線之間的區域是行星通過的領域。（圖片來源：森萬由子，天體生物學中心）

為了驗證此前推斷的恒星自轉，通過一日中多次觀測恒星亮度，確認了伴隨著自轉產生的亮度的變化。

觀測使用了分布在世界5個地方的（美國，西班牙，智力，南非，澳大利亞）LCO直徑1m的望遠鏡以及成像相機Sinistro，在2024年12月到2025年3月之間進行了觀測。觀測結果顯示，恒星的亮度是周期性變動的（見圖3），并首次明確恒星的自轉周期是11.05日。

圖3：演示恒星TOI-3884自轉變動的光變曲線圖。

黑子是Sinistro相機觀測到的數據，藍線是模型。觀測數據與自轉周期11.05日的模型吻合。（圖片來源：森萬由子，天體生物學中心）

我們得知的自轉周期與MuSCAT3, MuSCAT4相機對黑子通過凌星的觀測而推斷的黑子位置的變化是一致的。

利用這個自轉周期信息，可以確定行星/恒星/黑子的位置關系的模型。

更進一步，我們明確的模型顯示恒星的自轉軸與行星的公轉軌道軸有62度的偏離，表明它是軌道高度傾斜的行星系。測定軌道的傾斜角度對于理解行星的形成和軌道演化非常重要。然而對于紅矮星周圍的行星用傳統手法（比如光的多普勒頻移手法）難以精確測定其傾斜角度，測定到的數據也有限。

本研究用“黑子通過凌星”的觀測來測定紅矮星周圍行星軌道傾角的手法得到了正確的數據，表明該手法在測定此類行星系的軌道傾角時很有應用價值。

今后展望

TOI-3884b是擁有豐富大氣層的超級海王星，也是利用JWST（詹姆斯·韋布空間望遠鏡）觀測大氣的重要目標之一。

對TOI-3884b進行大氣觀測時本研究中得出的黑子性質以及行星系軌道，對避免行星大氣誤判提供了重要情報。

對于TOI-3884系的軌道傾斜的理解有助于揭示行星的演化。TOI-3884系呈現的巨大傾斜軌道的出現，通常預示行星進化過程中存在巨大行星和伴星之間的重力相互作用。然而，TOI-3884系中尚未發現行星及其伴星。期待今后通過探索外側行星進行持續觀測。

最后，本研究的結果對加深理解恒星磁場提供了線索。

有理論表明極區存在的巨大黑子是由高速自轉的恒星的強大磁場產生的，然而TOI-3884是紅矮星中自轉周期比較正常的恒星。即便如此，TOI-3884的極區有巨大黑子說明紅矮星有極區黑子存在很可能是普遍現象。不僅TOI-3884系，深入理解恒星黑子一般特性是今后的重要課題。

圖4：澳大利亞的LCO 2米望遠鏡上搭載的MuSCAT4相機（紅色圓圈部分）（圖片來源：天體生物學中心）

用語解說

*1太陽系外行星：太陽系之外存在的行星

*2黑子：恒星的磁場活動造成的恒星的光球面上呈現一個溫度較低的暗黑區域

*3凌星現象：圍繞恒星公轉的行星，從地球角度看呈現在恒星面前穿過的現象

*4紅矮星：比太陽更小，紅色，發暗的恒星。指有效溫度在2000-4000開爾文的恒星

*5 MuSCAT3, MuSCAT4：是東京大學和天體生物學中心聯合開發的觀測裝置。

從青色光到紅色光，g (400–550 nm), r (550–700 nm), i (700–820 nm), and zs (820–920 nm)4個不同顏色波段同時觀測凌星的多色相機，光學設計上相同。 MuSCAT3相機搭載在夏威夷哈雷阿卡拉天文臺的LCO 2米望遠鏡上，MuSCAT4相機搭載在澳大利亞賽丁斯普林天文臺的LCO 2米望遠鏡上（見圖4）

*6 超級海王星：是地球半徑4倍，比海王星還大的行星。

責任編輯：甘林

牧夫新媒體編輯部

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IC 348是銀河系中的一個恒星形成區。

X射線: NASA/CXC/SAO; 紅外光: NASA/ESA/CSA/STScI; 圖像處理: NASA/CXC/SAO/J. Major

這張于2025年7月23日發布的圖像融合了NASA錢德拉X射線天文臺和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）所獲取的數據，展現了恒星形成區IC 348的夢幻景象。圖中，錢德拉的X射線數據顯示為紅色、綠色和藍色，而來自韋伯的紅外數據則以粉色、橙色和紫色呈現。

圖像中占據主導地位的輕盈結構是反射星云，即反射來自星團恒星光線的星際物質。X射線圖像中如點狀的源，是該星團內正在形成的年輕恒星。

圖片來源: X射線: NASA/CXC/SAO; 紅外光: NASA/ESA/CSA/STScI; 圖像處理: NASA/CXC/SAO/J. Major

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