如果宇宙存在“鏡像太陽系”，會(huì)顛覆行星形成理論嗎？

如果告訴你，宇宙中存在著一對(duì)“鏡像”太陽系，兩顆如同木星的巨行星，分別緊貼著各自的太陽瘋狂旋轉(zhuǎn)，表面溫度可達(dá)2500℃，你會(huì)不會(huì)覺得這是科幻小說里的情節(jié)？這并非想象，而是天文學(xué)家在HD 20781/HD 20782雙星系統(tǒng)中真實(shí)觀測到的驚人景象。傳統(tǒng)的行星形成理論告訴我們，巨行星本應(yīng)誕生在遠(yuǎn)離恒星的寒冷地帶，為何它們會(huì)雙雙出現(xiàn)在恒星的火爐旁？這背后，是一種被稱為馮·澤佩爾-李多夫-古在（ZLK）效應(yīng)的宇宙級(jí)“星際舞蹈”在悄悄改寫規(guī)則。

我們都知道，經(jīng)典的行星形成理論認(rèn)為，像木星這樣的氣態(tài)巨行星誕生于恒星系的“雪線”之外。那里溫度足夠低，可以讓冰物質(zhì)凝結(jié)，從而快速積累起龐大的身軀。它們就像在遠(yuǎn)離篝火的寒冷郊外慢慢滾大的雪球。

但鮮為人知的是，宇宙中存在著一群“叛逆者”——熱木星。它們是氣態(tài)巨行星，卻以極近的距離環(huán)繞恒星，公轉(zhuǎn)周期甚至不到幾天。截至2025年，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了超過600顆熱木星，約占已知系外行星總數(shù)的1.2%。然而，一個(gè)更驚人的發(fā)現(xiàn)打破了這一切：在某些雙星系統(tǒng)中，兩顆恒星竟然各自擁有一顆熱木星，形成了“雙熱木星”系統(tǒng)。

這種現(xiàn)象極為罕見，在所有系外行星中占比不足0.05%，在雙星系統(tǒng)中也僅有0.1%的潛在可能孕育出這種奇觀。這怎么可能？要讓兩顆巨行星同時(shí)“背井離鄉(xiāng)”，從寒冷的遠(yuǎn)方遷移到恒星的炙烤之下，這需要何等精妙的宇宙編排？

要理解這背后的奧秘，我們需要引入一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制：馮·澤佩爾-李多夫-古在（von Zeipel–Lidov–Kozai, ZLK）效應(yīng)。

這就像一場精妙的宇宙雙人舞。想象一下，在一個(gè)雙星系統(tǒng)中，一顆行星（舞者A）圍繞其中一顆恒星（舞伴A）旋轉(zhuǎn)，而另一顆遙遠(yuǎn)的伴星（舞伴B）則像一位優(yōu)雅的指揮，用其引力不斷地“撩撥”著舞者A的舞步。這種“撩撥”不會(huì)直接把舞者A拉過去，而是巧妙地改變其舞姿——讓它的軌道變得越來越扁，越來越傾斜。

從物理學(xué)上講，當(dāng)行星的軌道平面與雙星的軌道平面存在一個(gè)臨界傾角（通常大于40°）時(shí)，伴星的引力攝動(dòng)會(huì)導(dǎo)致行星軌道發(fā)生長周期的角動(dòng)量交換。這使得行星的軌道傾角和偏心率發(fā)生周期性的振蕩。簡單來說，行星的軌道會(huì)從一個(gè)近乎圓形的軌道，逐漸被“拉伸”成一個(gè)極度橢圓的軌道，其偏心率峰值甚至可以超過0.9。在這個(gè)過程中，行星的半長軸基本保持不變，但其近日點(diǎn)會(huì)變得極度靠近主恒星。

這種極端的軌道正是形成熱木星的關(guān)鍵。當(dāng)行星在其高偏心率軌道的近日點(diǎn)掠過主恒星時(shí)，強(qiáng)大的潮汐力開始發(fā)揮作用。這就像你快速甩動(dòng)一根繩子末端的重物，當(dāng)你靠近中心軸時(shí)，能量耗散得最快。潮汐力在近日點(diǎn)處高效地耗散行星的軌道能量，使其軌道半長軸逐漸縮小。經(jīng)過數(shù)百萬年、數(shù)百次的“偏心-潮汐”循環(huán)后，行星的軌道最終被“鎖定”在一個(gè)極近的圓形軌道上，公轉(zhuǎn)周期從最初的上千年縮短至幾天，一顆熱木星就此誕生。這一過程被稱為“ZLK遷移”，它完美解釋了為何巨行星會(huì)出現(xiàn)在恒星的火爐旁。

問題在于，ZLK遷移本身就是一個(gè)精妙的巧合。要讓雙星系統(tǒng)中的兩顆行星同時(shí)、同步地完成這場“星際舞蹈”，形成“鏡像”般的雙熱木星系統(tǒng)，其條件必定更為苛刻。這是否意味著需要雙倍的巧合？然而，耶魯大學(xué)的科學(xué)家們通過精密的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，這并非巧合，而是一種特定條件下的必然結(jié)果。

2025年6月，耶魯大學(xué)的Malena Rice、Yurou Liu和Tiger Lu團(tuán)隊(duì)在《天體物理學(xué)雜志》上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，揭示了雙熱木星的形成之謎。他們利用耶魯大學(xué)研究計(jì)算中心的Grace高性能計(jì)算集群，結(jié)合用Python和Fortran編寫的N體模擬代碼，以及pyLIMASS和Besan?on銀河模型等先進(jìn)工具，對(duì)超過10億年的雙星-雙行星系統(tǒng)演化進(jìn)行了數(shù)千次模擬。

同時(shí)，他們整合了來自Gaia衛(wèi)星的精確恒星數(shù)據(jù)、TESS和CHEOPS空間望遠(yuǎn)鏡的高精度光變曲線，以及HARPS和HIRES等地面光譜儀的徑向速度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了模擬與觀測的完美結(jié)合。

研究結(jié)果震撼地指出，雙熱木星的“鏡像”形成存在一個(gè)“黃金區(qū)間”：當(dāng)雙星質(zhì)量比接近1:1，且它們的軌道分離距離在**20至50天文單位（AU）**之間時(shí)，ZLK遷移的效率最高。太近會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，太遠(yuǎn)則引力“撩撥”不足。經(jīng)典案例HD 20781/20782的分離距離恰好約為30 AU，完美落入這個(gè)區(qū)間。此外，行星的初始軌道傾角也需在40°至80°之間，才能有效觸發(fā)這場同步的“星際舞蹈”。

這一發(fā)現(xiàn)不僅解決了雙熱木星的形成難題，更對(duì)傳統(tǒng)的行星形成理論提出了深刻挑戰(zhàn)。一個(gè)令人驚訝的“社交貨幣”級(jí)冷知識(shí)是：該研究發(fā)現(xiàn)，雙熱木星可以在金屬豐度低至-0.2 dex的主星周圍形成。這打破了“金屬豐度決定論”——即認(rèn)為只有富含重元素的“金屬”環(huán)境才能孕育巨行星的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。

這暗示著，宇宙中孕育巨行星的家園可能比我們想象的要廣泛得多。這不僅關(guān)乎行星的遷移，更意味著我們對(duì)行星系統(tǒng)如何誕生和演化的理解，需要一次徹底的革新。如果連如此罕見和極端的系統(tǒng)都能被自然法則優(yōu)雅地塑造，那么宇宙中還隱藏著多少我們尚未發(fā)現(xiàn)的、更加奇特的可能性？

關(guān)于雙熱木星，你是否好奇：在這些熾熱的雙子世界里，是否存在著截然不同的天氣和大氣循環(huán)？天文學(xué)家已經(jīng)將目光投向了KELT-21和WASP-94等候選系統(tǒng)，期待用下一代望遠(yuǎn)鏡找到更多答案。正如天文學(xué)家Vera Rubin所說：“我們窺探了一個(gè)新的世界，并發(fā)現(xiàn)它比我們想象的更加神秘和復(fù)雜。宇宙中仍有更多的謎團(tuán)隱藏著。”