近日,科研人員基于我國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡(LAMOST)巡天數(shù)據(jù),同時(shí)結(jié)合Gaia和TESS等國(guó)際觀測(cè)數(shù)據(jù),系統(tǒng)構(gòu)建了TESS大樣本恒星及行星的運(yùn)動(dòng)學(xué)星表。這份詳盡的“戶口本” 不僅對(duì)544顆系外行星宿主恒星在內(nèi)的約 66 萬顆 TESS 恒星進(jìn)行了銀河系運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)的刻畫,還發(fā)布了包含近8千顆雙星的軌道與運(yùn)動(dòng)學(xué)信息。該項(xiàng)成果以“PAST. VIII: Kinematic Characterization and Identification of Radial Velocity Variables for the LAMOST-Gaia-TESS Stars”為標(biāo)題于2025年11月14日發(fā)表于國(guó)際知名期刊《天體物理學(xué)增刊》。
本研究的第一作者為南京大學(xué)博士一年級(jí)研究生武迪,通訊作者為中山大學(xué)陳迪昌副教授與南京大學(xué)謝基偉教授。合作者還包括南京大學(xué)的周濟(jì)林教授、意大利帕多瓦大學(xué)的王海峰博士、北京師范大學(xué)的宗偉凱副教授、北京大學(xué)的東蘇勃教授與中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的向茂盛研究員和羅阿理研究員。
為什么我們需要這份“戶籍檔案”?
自 1995 年人類首次發(fā)現(xiàn)圍繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星以來,系外行星的發(fā)現(xiàn)就進(jìn)入快車道。短短三十年,人類已確認(rèn)的行星數(shù)量已激增至6000余顆,其分布范圍也從太陽附近逐步擴(kuò)展至整個(gè)銀河系更廣闊的區(qū)域。這些行星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征及其與宿主恒星性質(zhì)、年齡和所屬銀河系環(huán)境的關(guān)系是理解行星形成與演化的關(guān)鍵。
TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite,凌星系外行星巡天衛(wèi)星)作為Kepler系外行星空間探測(cè)任務(wù)的繼任者,通過“凌星法”對(duì)全天區(qū)進(jìn)行掃描,專注搜尋近鄰亮星周圍的行星,迄今已發(fā)現(xiàn)超過7000顆候選體。其近距離樣本的優(yōu)勢(shì),為識(shí)別銀河系子結(jié)構(gòu)(如星流、星協(xié)等)提供了獨(dú)特機(jī)遇,同時(shí)TESS 的全天巡天能力使得對(duì)銀河系不同區(qū)域、不同恒星族群中行星系統(tǒng)的普查成為可能。然而,TESS恒星的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性迄今仍缺乏系統(tǒng)性的刻畫。構(gòu)建一個(gè)高精度、勻質(zhì)的大樣本運(yùn)動(dòng)學(xué)星表,是開展銀河系大背景下行星普查研究的基礎(chǔ)。
三大巡天聯(lián)手,構(gòu)建運(yùn)動(dòng)學(xué)與化學(xué)性質(zhì)星表
研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合 Gaia DR3 的高精度天體測(cè)量數(shù)據(jù)與 LAMOST DR10 的勻質(zhì)大樣本光譜參數(shù),利用團(tuán)隊(duì)系列研究中修正的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法(見文后參考文獻(xiàn)),計(jì)算得到約66萬顆TESS恒星(包括544顆行星宿主星)的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息,包括了每顆恒星在銀河系的三維位置、速度、軌道角動(dòng)量、作用量等參數(shù),并將其劃分為薄盤、厚盤、暈以及12個(gè)鄰近星流(如Arcturus、Hercules等)等不同銀河系組分 。同時(shí)也歸納了它們的物理學(xué)參數(shù)(如有效溫度、金屬豐度等),構(gòu)建了目前對(duì)TESS恒星的最完備的勻質(zhì)運(yùn)動(dòng)學(xué)星表,為在銀河系背景下開展系外行星研究提供新的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
對(duì)星表性質(zhì)的初步分析表明,不同族群的恒星展現(xiàn)出截然不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)和化學(xué)特性(圖1):薄盤恒星年輕、金屬豐度高、運(yùn)動(dòng)溫和;厚盤恒星年老、金屬豐度低、運(yùn)動(dòng)劇烈;暈族恒星則最為年老,運(yùn)動(dòng)速度最高。

圖1:不同銀河系組分的恒星的Toomre圖,上圖包含了薄盤、厚盤和銀暈,下圖包含了12種星流。
熱行星更“偏愛”年輕薄盤,厚盤中難覓熱木星蹤跡
研究團(tuán)隊(duì)分析了樣本中的544顆行星宿主恒星,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)(84.7%)的TESS行星宿主都屬于年輕的銀河系薄盤(圖2)。同時(shí),軌道周期小于10天的“熱行星”(以熱木星為主)尤其偏愛薄盤恒星。相比之下,在更為年老、運(yùn)動(dòng)更劇烈的厚盤恒星周圍,樣本中未探測(cè)到任何熱木星。這也印證了此前的研究結(jié)論:熱木星明顯更“青睞”年輕的恒星。相比之下,厚盤恒星通常年齡更大、金屬豐度更低,其環(huán)境本身就不利于熱木星的形成,導(dǎo)致熱木星在其中的數(shù)量遠(yuǎn)少于場(chǎng)星。即便有少量熱木星得以形成,在漫長(zhǎng)的演化過程中,它們也終將因潮汐作用被宿主恒星吞噬。

圖2:TESS行星候選體的周期-半徑分布。不同顏色代表其宿主恒星所屬的銀河系成分(藍(lán):薄盤;紅:厚盤;黃:星流)。
捕捉速度的變化:發(fā)現(xiàn)變星及雙星
借助LAMOST中分辨率巡天的時(shí)域數(shù)據(jù),團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)分析恒星的視向速度變化,在TESS恒星樣本中識(shí)別出41445顆視向速度表現(xiàn)出顯著變化的變星,其中包括7846顆雙星候選體,并進(jìn)一步擬合得到了雙星候選體的軌道周期、偏心率、質(zhì)量函數(shù)等關(guān)鍵軌道參數(shù)。
過去,雙星的運(yùn)動(dòng)學(xué)刻畫一直是個(gè)難題,因?yàn)榘樾堑囊Ω蓴_使得恒星的“真實(shí)”視向速度難以測(cè)量。而本研究成功獲取了這批雙星的系統(tǒng)速度,進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)刻畫,發(fā)布了同時(shí)包含軌道參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)的大樣本雙星星表。
雙星的軌道特性為恒星演化提供了觀測(cè)證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn),雙星的軌道偏心率與周期存在顯著正相關(guān):周期短的系統(tǒng)軌道更接近圓形(圖3),清晰體現(xiàn)了“潮汐圓化”效應(yīng),為后續(xù)研究雙星潮汐演化奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外,該搜尋和刻畫雙星的方法未來也可以用于包括LAMOST、SDSS等大規(guī)模巡天最新的海量時(shí)序數(shù)據(jù),為研究雙星及其周圍的行星系統(tǒng)構(gòu)建更為牢靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3:軌道擬合較好的雙星樣本的偏心率-周期分布(左)和質(zhì)量比-周期分布(右)。
構(gòu)建行星系統(tǒng)演化全景圖:“穿越”計(jì)劃持續(xù)探索
該成果是“行星的空間分布和年齡演化”(Planets Across Space and Time,英文簡(jiǎn)稱為PAST,中文簡(jiǎn)稱“穿越”)系列研究成果論文的第8篇(PAST-8),為后續(xù)進(jìn)一步對(duì)行星系統(tǒng)以及雙星系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)研究提供了又一個(gè)重要數(shù)據(jù)庫?!按┰健庇?jì)劃旨在建立行星系統(tǒng)的“時(shí)空演化圖譜”?,揭示驅(qū)動(dòng)各種行星族群形成和演化的內(nèi)在機(jī)制,以及其與銀河系形成演化的深層關(guān)聯(lián)。該計(jì)劃依托LAMOST大樣本巡天優(yōu)勢(shì),以Kepler望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了包含數(shù)千顆系外行星的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(PAST-1: Chen et al. 2021 ApJ;PAST-2: Chen et al. 2021 AJ),并在此基礎(chǔ)上開展了各種族群行星系統(tǒng)的普查和統(tǒng)計(jì)研究?(PAST-3: Chen et al. 2022 AJ;PAST-4: Yang et al. 2023AJ),?并在揭示熱木星和極短周期行星的演化規(guī)律方面已取得了重要研究成果(PAST-5: Chen et al. 2023 PNAS;PAST-6: Tu et al. 2025 Nature Astronomy;PAST-7: Chen et al. 2025 Nature Astronomy)。此次PAST-8發(fā)布的LAMOST–Gaia–TESS星表,不僅為后續(xù)統(tǒng)計(jì)研究提供了新TESS天區(qū)的數(shù)據(jù)庫,也為檢驗(yàn)和推廣之前基于Kepler天區(qū)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果提供了機(jī)會(huì)。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及LAMOST重大成果培育項(xiàng)目的支持。
----------------------------------------
成果論文鏈接:
"PAST-8":Wu D.;Chen,D.-C.;?Xie,J.-W.;et al.?Planets Across Space and Time (PAST). VIII. Kinematic Characterization and Identification of Radial Velocity Variables for the LAMOST–Gaia–TESS Stars. ApJS.?281,36 (2025).?https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ae0d85
更多 “穿越”系列研究成果:
1."PAST-1":Chen,D.-C.;?Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;?et al.?Planets Across Space and Time (PAST). I. Characterizing the memberships of Galactic components and stellar ages: revisiting the kinematic methods and applying to planet host stars.?ApJ.?909,115 (2021).?https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd5be
2."PAST-2":Chen,D.-C.;Yang,J.-Y.;?Xie,J.-W.;et al.?Planets Across Space and Time (PAST). II. Catalog and analyses of the LAMOST-Gaia-Kepler stellar kinematic properties.?AJ.?162,100 (2021).?https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac0f08
3."PAST-3":Chen,D.-C.;?Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;?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.?AJ.?163,249 (2022).?https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac641f
4."PAST-4":Yang,J.-Y.;Chen,D.-C.;?Xie,J.-W.;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.?AJ.?166,243 (2023).?https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad0368
5."PAST-5":Chen,D.-C.;?Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;?et al.?The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars.?PNAS.?120,e2304179120 (2023).?https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304179120
6."PAST-6":Tu,P.-W.;?Xie,J.-W.;?Chen,D.-C.;?et al.,?Age dependence of the occurrence and architecture of ultra-short-period planet systems.?Nature Astronomy?(2025).?https://www.nature.com/articles/s41550-025-02539-1
7."PAST-7":Chen,D.-C.;?Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;?et al.?The origin and tidal evolution of hot Jupiters constrained by a broken age–frequency relation.?Nature Astronomy?(2025).?https://www.nature.com/articles/s41550-025-02693-6