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主譯：梁晨

校譯：余路漢

審核：牧夫天文校對(duì)組

美編：張少巖

后臺(tái)：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(jí)海王星TOI-3884b在擁有巨大黑子的紅矮星TOI-3884面前橫穿而過(guò)。圖片來(lái)源：森萬(wàn)由子，天體生物學(xué)中心（使用了AI圖像處理軟件）

當(dāng)下盛行太陽(yáng)系外行星的大氣觀測(cè)，所以正確了解恒星表面黑子特征對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響也愈加重要。研究黑子特征的絕佳機(jī)會(huì)，就是當(dāng)行星經(jīng)過(guò)恒星黑子前方的“黑子通過(guò)凌星”現(xiàn)象。

此次，由日本自然科學(xué)研究機(jī)構(gòu)天體生物學(xué)中心與東京大學(xué)的研究者們（森萬(wàn)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(guó)際團(tuán)隊(duì)，通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡的組合觀測(cè)，詳細(xì)揭示了TOI-3884行星系統(tǒng)的黑子特征及其軌道傾角。研究成果于2025年9月8日發(fā)表于學(xué)術(shù)雜志《Astronomical Journal》。

研究背景

2021年由NASA發(fā)射的詹姆斯韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）為太陽(yáng)系外行星的大氣研究帶來(lái)了飛躍性進(jìn)步。

行星大氣的觀測(cè)主要是通過(guò)不同波長(zhǎng)的光來(lái)觀測(cè)行星從恒星前方橫穿時(shí)的被遮擋和變暗的現(xiàn)象（凌星現(xiàn)象）。觀測(cè)時(shí)可以從不同波長(zhǎng)下光度變暗方式（減光率）的差異來(lái)推斷行星大氣的分子和原子成分。JWST可以探測(cè)到0.01%精度的減光率差異，但同時(shí)也帶來(lái)了以前不需要考慮的細(xì)微影響。其中之一就是，恒星表面存在的黑子的影響。與太陽(yáng)一樣，很多恒星上有一些溫度很低很暗的黑子區(qū)域。在凌星現(xiàn)象觀測(cè)中，黑子會(huì)引起波長(zhǎng)的減光率差異，也可能會(huì)模仿行星大氣發(fā)出信號(hào)。因此，正確理解黑子性質(zhì)，排除它的影響，成為行星大氣觀測(cè)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(huán)繞著一顆半徑約為地球6倍的行星TOI-3884b。

TOI-3884b會(huì)發(fā)生凌星現(xiàn)象，但它有一個(gè)特別之處：每次經(jīng)過(guò)恒星前方時(shí)，總是掠過(guò)恒星表面的黑子。這種現(xiàn)象被稱為“黑子通過(guò)凌星”（見(jiàn)圖1）。能夠反復(fù)觀察到黑子通過(guò)凌星的行星系非常罕見(jiàn)，因此TOI-3884系是一個(gè)可以同時(shí)研究恒星黑子性質(zhì)和行星軌道的珍貴目標(biāo)。

圖1：黑子通過(guò)凌星（上圖）發(fā)生時(shí)的恒星明暗變化示意圖（下圖）。

當(dāng)行星經(jīng)過(guò)黑子前方時(shí)，由于行星遮擋的是相對(duì)較暗的區(qū)域，減光率會(huì)變小，從而在光變曲線上形成一個(gè)“凸起”。（圖片來(lái)源：森萬(wàn)由子，天體生物學(xué)中心）

另一方面，先前對(duì)TOI-3884系的特征進(jìn)行的2項(xiàng)研究（Almenara et al., 2022; Libby-Roberts et al., 2023）報(bào)告顯示了恒星自轉(zhuǎn)軸角度和自轉(zhuǎn)速度等若干重要物理變量結(jié)果不一致。因此本研究旨在通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更高精度觀測(cè)，詳解TOI-3884系的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

研究成果

在本研究中，為了觀測(cè)TOI-3884系的黑子通過(guò)凌星現(xiàn)象，我們使用了美國(guó)拉斯昆布雷斯天文臺(tái)（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(yuǎn)鏡，以及安裝在這些望遠(yuǎn)鏡上的多色相機(jī)MuSCAT3、MuSCAT4。

在2024年2月至3月期間，我們成功觀測(cè)到3次凌星現(xiàn)象，并且多波段高精度的捕捉到了黑子通過(guò)的信號(hào)（見(jiàn)圖2）。黑子通過(guò)的信號(hào)在藍(lán)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(shí)間上變化解析（光變曲線）來(lái)看，黑子比恒星的溫度（大約3150開(kāi)爾文）低200開(kāi)爾文，并且覆蓋了約15%的恒星可見(jiàn)面積。此外，我們還確認(rèn)了此前尚未被清晰捕捉到的黑子通過(guò)信號(hào)的形狀的時(shí)間上變化。由于在短短一個(gè)月的時(shí)間里黑子的形狀不太可能發(fā)生顯著變化，因此推斷這一現(xiàn)象反映的是恒星自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的黑子位置變化。

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

從左到右展示了不同時(shí)日觀測(cè)到3次凌星，4色的點(diǎn)代表4種不同波長(zhǎng)（g, r, i, z波段）下觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。模型中的黑色圓形代表行星，灰色圓形代表黑子。x標(biāo)記是恒星的極點(diǎn)，虛線是恒星的赤道，破折線之間的區(qū)域是行星通過(guò)的領(lǐng)域。（圖片來(lái)源：森萬(wàn)由子，天體生物學(xué)中心）

為了驗(yàn)證此前推斷的恒星自轉(zhuǎn)，通過(guò)一日中多次觀測(cè)恒星亮度，確認(rèn)了伴隨著自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的亮度的變化。

觀測(cè)使用了分布在世界5個(gè)地方的（美國(guó)，西班牙，智力，南非，澳大利亞）LCO直徑1m的望遠(yuǎn)鏡以及成像相機(jī)Sinistro，在2024年12月到2025年3月之間進(jìn)行了觀測(cè)。觀測(cè)結(jié)果顯示，恒星的亮度是周期性變動(dòng)的（見(jiàn)圖3），并首次明確恒星的自轉(zhuǎn)周期是11.05日。

圖3：演示恒星TOI-3884自轉(zhuǎn)變動(dòng)的光變曲線圖。

黑子是Sinistro相機(jī)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，藍(lán)線是模型。觀測(cè)數(shù)據(jù)與自轉(zhuǎn)周期11.05日的模型吻合。（圖片來(lái)源：森萬(wàn)由子，天體生物學(xué)中心）

我們得知的自轉(zhuǎn)周期與MuSCAT3, MuSCAT4相機(jī)對(duì)黑子通過(guò)凌星的觀測(cè)而推斷的黑子位置的變化是一致的。

利用這個(gè)自轉(zhuǎn)周期信息，可以確定行星/恒星/黑子的位置關(guān)系的模型。

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

本研究用“黑子通過(guò)凌星”的觀測(cè)來(lái)測(cè)定紅矮星周圍行星軌道傾角的手法得到了正確的數(shù)據(jù)，表明該手法在測(cè)定此類行星系的軌道傾角時(shí)很有應(yīng)用價(jià)值。

今后展望

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

對(duì)TOI-3884b進(jìn)行大氣觀測(cè)時(shí)本研究中得出的黑子性質(zhì)以及行星系軌道，對(duì)避免行星大氣誤判提供了重要情報(bào)。

對(duì)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(xiàn)的巨大傾斜軌道的出現(xiàn)，通常預(yù)示行星進(jìn)化過(guò)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(fā)現(xiàn)行星及其伴星。期待今后通過(guò)探索外側(cè)行星進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。

最后，本研究的結(jié)果對(duì)加深理解恒星磁場(chǎng)提供了線索。

有理論表明極區(qū)存在的巨大黑子是由高速自轉(zhuǎn)的恒星的強(qiáng)大磁場(chǎng)產(chǎn)生的，然而TOI-3884是紅矮星中自轉(zhuǎn)周期比較正常的恒星。即便如此，TOI-3884的極區(qū)有巨大黑子說(shuō)明紅矮星有極區(qū)黑子存在很可能是普遍現(xiàn)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(yuǎn)鏡上搭載的MuSCAT4相機(jī)（紅色圓圈部分）（圖片來(lái)源：天體生物學(xué)中心）

用語(yǔ)解說(shuō)

*1太陽(yáng)系外行星：太陽(yáng)系之外存在的行星

*2黑子：恒星的磁場(chǎng)活動(dòng)造成的恒星的光球面上呈現(xiàn)一個(gè)溫度較低的暗黑區(qū)域

*3凌星現(xiàn)象：圍繞恒星公轉(zhuǎn)的行星，從地球角度看呈現(xiàn)在恒星面前穿過(guò)的現(xiàn)象

*4紅矮星：比太陽(yáng)更小，紅色，發(fā)暗的恒星。指有效溫度在2000-4000開(kāi)爾文的恒星

*5 MuSCAT3, MuSCAT4：是東京大學(xué)和天體生物學(xué)中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)的觀測(cè)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(gè)不同顏色波段同時(shí)觀測(cè)凌星的多色相機(jī)，光學(xué)設(shè)計(jì)上相同。 MuSCAT3相機(jī)搭載在夏威夷哈雷阿卡拉天文臺(tái)的LCO 2米望遠(yuǎn)鏡上，MuSCAT4相機(jī)搭載在澳大利亞賽丁斯普林天文臺(tái)的LCO 2米望遠(yuǎn)鏡上（見(jiàn)圖4）

*6 超級(jí)海王星：是地球半徑4倍，比海王星還大的行星。

責(zé)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(gè)恒星形成區(qū)。

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(fā)布的圖像融合了NASA錢德拉X射線天文臺(tái)和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）所獲取的數(shù)據(jù)，展現(xiàn)了恒星形成區(qū)IC 348的夢(mèng)幻景象。圖中，錢德拉的X射線數(shù)據(jù)顯示為紅色、綠色和藍(lán)色，而來(lái)自韋伯的紅外數(shù)據(jù)則以粉色、橙色和紫色呈現(xiàn)。

圖像中占據(jù)主導(dǎo)地位的輕盈結(jié)構(gòu)是反射星云，即反射來(lái)自星團(tuán)恒星光線的星際物質(zhì)。X射線圖像中如點(diǎn)狀的源，是該星團(tuán)內(nèi)正在形成的年輕恒星。

圖片來(lái)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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