太阳系外的异类行星，不到24小时就公转一次，它们从何处而来？

我们都很熟悉太阳系中的几大行星，水星距离太阳最近，公转周期为88天，海王星距离太阳最远，公转周期长达164.8年。行星的轨道半径是影响其公转周期的首要因素之一。

太阳系各大行星的公转轨道周期与年长度

（图片来源：Veer图库）

然而，在太阳系外，却存在这样一些“异类”行星——超短周期行星（Ultra-Short-Period Planets, USPs）是系外行星中的特殊群体。它们具有类似地球的岩质成分，却居于极端的短周期轨道之上，以不足24小时的极短周期绕恒星公转。此外，由于距离宿主恒星过近（宿主星即所围绕的恒星，超短周期与宿主恒星之间的距离不到地球与太阳距离的五十分之一），其表面温度可达2000K（相当于约1726.85摄氏度，超过常见硅酸盐的熔点）以上，堪称宇宙中的“熔岩炼狱”

这类极端行星在太阳系完全“缺席”，自发现以来就持续挑战着太阳系传统行星的形成演化理论，其起源和演化至今仍是未解之谜，也是科学家们一直争论的焦点。

科学难题：超短周期行星如何"定居"极端轨道？

主流理论认为，超短周期行星是从更远的位置通过某种机制迁移至短周期轨道，可能的机制主要有以下三种：

1. 机制一：盘迁移

行星在与原行星盘的相互作用下，于数百万年（原行星盘一般存在时标为数百万年）内向内迁移。

1. 机制二：高偏心率迁移

行星因动力学扰动被激发至高偏心率轨道，而后经潮汐耗散轨道圆化，形成孤立且高倾角的超短周期行星。取决于轨道激发的快慢，该过程可经历数百万年至数亿年

1. 机制三：低偏心率迁移

行星通过与其他行星的相互作用维持较低偏心率，在持续的潮汐耗散过程中缓慢向内迁移，此过程可长达数十亿年

“熔岩世界”——超短周期行星

（图片来源：Veer图库）

不同的形成机制其时间尺度横跨数百万年到数十亿年，形成的轨道特征也大相径庭。因此，研究该类行星的出现率与轨道构型随时间的变化规律，是破解其形成机制的关键突破口。

新的研究发现：年龄图谱揭示形成演化密码

2025年4月28日，《自然·天文学》刊登了南京大学天文与空间科学学院系外行星课题组的突破性研究成果。该团队基于我国郭守敬望远镜（LAMOST）巡天数据，结合国际其他观测数据，首次揭示了超短周期行星系统的出现率与轨道构型随年龄演化的规律，为破解这类"熔岩世界"的形成之谜提供了关键证据。

郭守敬望远镜（LAMOST）

（图片来源：CGTN）

利用估计年龄的运动学方法，研究团队首先借助LAMOST和Gaia（盖亚太空望远镜）的观测数据，计算出行星系统宿主恒星的运动学参数和运动学年龄。研究发现，相较于热木星和其他短周期小质量行星，超短周期行星的宿主恒星运动速度更大，位于银河系厚盘（更为古老的银河系盘状结构）中的比例更高，且年龄更老。也就是说，与其他短周期行星相比，超短周期行星的宿主恒星更加年老、运动更加“活跃”。

研究团队进一步分析，得出了超短周期行星系统的出现率随年龄的演化规律，发现超短周期行星系统的出现率随年龄增长而上升。这一发现表明，大多数超短周期行星可能是在数十亿年之后形成的，不太可能以极早期形成模型（如仅需数百万年时间的盘迁移模型）为主要形成途径。

此外，研究团队还揭示了超短周期行星系统的轨道构型随年龄的演化规律：将短周期小质量行星系统（公转周期小于10天）按年龄划分为年轻与年老两类。在年老系统中，公转周期在1天左右的分布较为集中，但在1-2天周期范围内行星数量显著减少（在图表上像出现一个“坑”），行星间的平均距离更大。但年轻系统中，公转周期分布无显著聚集或凹陷，行星彼此间靠得更近。并且，能观测到系统中有多颗行星从恒星前方经过（凌星）的情况较少，这说明它们要么轨道平面的倾斜程度不一致，要么附近缺少其他行星邻居。

上述超短周期行星系统的出现率与轨道构型的年龄依赖性表明，超短周期行星通过潮汐耗散驱动的轨道迁移在数十亿年时间尺度上持续形成，且较年轻与较年老的超短周期行星分别源自不同的潮汐迁移路径（高偏心率迁移和低偏心率迁移）。这些研究结果勾勒出了超短周期行星的形成机制和潮汐演化的整体图像。

未来，还将持续构建行星系统的演化全景图

该成果是谢基伟团队发起的“系外行星的空间分布和年龄演化”（Planets Across Space and Time，英文简称为PAST，中文简称“穿越”）系列研究计划的重要突破。

此前，该计划在揭示热木星的演化规律方面也取得了重要研究成果（Chen et al. 2023 PNAS）。该计划依托LAMOST大样本巡天优势，构建了包含数千颗系外行星的时空数据库（Chen et al. 2021 AJ），并对各种族群的行星系统开展普查和统计研究 (Chen et al. 2022 AJ; Yang et al. 2023AJ),旨在建立行星系统的“时空演化图谱”，揭示行星系统形成和演化内在机制，以及其与银河系形成演化的深层关联

参考文献：

[1] Tu, P.-W., Xie, J.-W., Chen, D.-C., Zhou, J.-L. Age dependence of the occurrence and architecture of ultra-short-period planet systems. Nat Astron (2025).

[2] Chen, D.-C. et al. The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars. Proc. Natl Acad. Sci. USA 120, e2304179120 (2023).

[3] Chen, D.-C. et al. Planets Across Space and Time (PAST). II. Catalog and analyses of the LAMOST-Gaia-Kepler stellar kinematic properties. Astron. J. 162, 100 (2021).

[4] Chen, D.-C. et al. Planets Across Space and Time (PAST). III. Morphology of the planetary radius valley as a function of stellar age and metallicity in the Galactic context revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample. Astron. J. 163, 249 (2022).

[5] Yang, J.-Y. et al. Planets Across Space and Time (PAST). IV. The occurrence and architecture of Kepler planetary systems as a function of kinematic age revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample. Astron. J. 166, 243 (2023).

出品：科普中国

作者：涂培玮（南京大学在读博士生）

谢基伟（南京大学教授、中国天文学会行星专业委员会副主任）

监制：中国科普博览