横过黑子的行星展现出倾斜的行星系统之姿

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主译：梁晨

校译：余路汉

审核：牧夫天文校对组

美编：张少岩

后台：李子琦

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

TOI-3884系的示意图。超级海王星TOI-3884b在拥有巨大黑子的红矮星TOI-3884面前横穿而过。图片来源：森万由子，天体生物学中心（使用了AI图像处理软件）

当下盛行太阳系外行星的大气观测，所以正确了解恒星表面黑子特征对观测结果的影响也愈加重要。研究黑子特征的绝佳机会，就是当行星经过恒星黑子前方的“黑子通过凌星”现象。

此次，由日本自然科学研究机构天体生物学中心与东京大学的研究者们（森万由子青年特别研究员、福井晓彦讲师、平野照幸副教授、成田宪保教授、John Livingston特任助教）组成的国际团队，通过地面望远镜的组合观测，详细揭示了TOI-3884行星系统的黑子特征及其轨道倾角。研究成果于2025年9月8日发表于学术杂志《Astronomical Journal》。

研究背景

2021年由NASA发射的詹姆斯韦布太空望远镜（JWST）为太阳系外行星的大气研究带来了飞跃性进步。

行星大气的观测主要是通过不同波长的光来观测行星从恒星前方横穿时的被遮挡和变暗的现象（凌星现象）。观测时可以从不同波长下光度变暗方式（减光率）的差异来推断行星大气的分子和原子成分。JWST可以探测到0.01%精度的减光率差异，但同时也带来了以前不需要考虑的细微影响。其中之一就是，恒星表面存在的黑子的影响。与太阳一样，很多恒星上有一些温度很低很暗的黑子区域。在凌星现象观测中，黑子会引起波长的减光率差异，也可能会模仿行星大气发出信号。因此，正确理解黑子性质，排除它的影响，成为行星大气观测的重大课题。

TOI-3884是一颗距离地球约140光年的红矮星，其周围环绕着一颗半径约为地球6倍的行星TOI-3884b。

TOI-3884b会发生凌星现象，但它有一个特别之处：每次经过恒星前方时，总是掠过恒星表面的黑子。这种现象被称为“黑子通过凌星”（见图1）。能够反复观察到黑子通过凌星的行星系非常罕见，因此TOI-3884系是一个可以同时研究恒星黑子性质和行星轨道的珍贵目标。

图1：黑子通过凌星（上图）发生时的恒星明暗变化示意图（下图）。

当行星经过黑子前方时，由于行星遮挡的是相对较暗的区域，减光率会变小，从而在光变曲线上形成一个“凸起”。（图片来源：森万由子，天体生物学中心）

另一方面，先前对TOI-3884系的特征进行的2项研究（Almenara et al., 2022; Libby-Roberts et al., 2023）报告显示了恒星自转轴角度和自转速度等若干重要物理变量结果不一致。因此本研究旨在通过地面望远镜进行更高精度观测，详解TOI-3884系的详细结构。

研究成果

在本研究中，为了观测TOI-3884系的黑子通过凌星现象，我们使用了美国拉斯昆布雷斯天文台（Las Cumbres Observatory; LCO）分别在夏威夷和澳大利亚所拥有的口径2米的望远镜，以及安装在这些望远镜上的多色相机MuSCAT3、MuSCAT4。

在2024年2月至3月期间，我们成功观测到3次凌星现象，并且多波段高精度的捕捉到了黑子通过的信号（见图2）。黑子通过的信号在蓝光到红光不同波段上的幅度差异，是推断黑子温度的重要信息。

从恒星亮度的时间上变化解析（光变曲线）来看，黑子比恒星的温度（大约3150开尔文）低200开尔文，并且覆盖了约15%的恒星可见面积。此外，我们还确认了此前尚未被清晰捕捉到的黑子通过信号的形状的时间上变化。由于在短短一个月的时间里黑子的形状不太可能发生显著变化，因此推断这一现象反映的是恒星自转导致的黑子位置变化。

图2：MuSCAT3、MuSCAT4观测到的TOI-3884b系3次的黑子通过凌星时的光变曲线（下图），此时黑子和行星的位置关系模型图（上图）

从左到右展示了不同时日观测到3次凌星，4色的点代表4种不同波长（g, r, i, z波段）下观测到的数据。模型中的黑色圆形代表行星，灰色圆形代表黑子。x标记是恒星的极点，虚线是恒星的赤道，破折线之间的区域是行星通过的领域。（图片来源：森万由子，天体生物学中心）

为了验证此前推断的恒星自转，通过一日中多次观测恒星亮度，确认了伴随着自转产生的亮度的变化。

观测使用了分布在世界5个地方的（美国，西班牙，智力，南非，澳大利亚）LCO直径1m的望远镜以及成像相机Sinistro，在2024年12月到2025年3月之间进行了观测。观测结果显示，恒星的亮度是周期性变动的（见图3），并首次明确恒星的自转周期是11.05日。

图3：演示恒星TOI-3884自转变动的光变曲线图。

黑子是Sinistro相机观测到的数据，蓝线是模型。观测数据与自转周期11.05日的模型吻合。（图片来源：森万由子，天体生物学中心）

我们得知的自转周期与MuSCAT3, MuSCAT4相机对黑子通过凌星的观测而推断的黑子位置的变化是一致的。

利用这个自转周期信息，可以确定行星/恒星/黑子的位置关系的模型。

更进一步，我们明确的模型显示恒星的自转轴与行星的公转轨道轴有62度的偏离，表明它是轨道高度倾斜的行星系。测定轨道的倾斜角度对于理解行星的形成和轨道演化非常重要。然而对于红矮星周围的行星用传统手法（比如光的多普勒频移手法）难以精确测定其倾斜角度，测定到的数据也有限。

本研究用“黑子通过凌星”的观测来测定红矮星周围行星轨道倾角的手法得到了正确的数据，表明该手法在测定此类行星系的轨道倾角时很有应用价值。

今后展望

TOI-3884b是拥有丰富大气层的超级海王星，也是利用JWST（詹姆斯·韦布空间望远镜）观测大气的重要目标之一。

对TOI-3884b进行大气观测时本研究中得出的黑子性质以及行星系轨道，对避免行星大气误判提供了重要情报。

对于TOI-3884系的轨道倾斜的理解有助于揭示行星的演化。TOI-3884系呈现的巨大倾斜轨道的出现，通常预示行星进化过程中存在巨大行星和伴星之间的重力相互作用。然而，TOI-3884系中尚未发现行星及其伴星。期待今后通过探索外侧行星进行持续观测。

最后，本研究的结果对加深理解恒星磁场提供了线索。

有理论表明极区存在的巨大黑子是由高速自转的恒星的强大磁场产生的，然而TOI-3884是红矮星中自转周期比较正常的恒星。即便如此，TOI-3884的极区有巨大黑子说明红矮星有极区黑子存在很可能是普遍现象。不仅TOI-3884系，深入理解恒星黑子一般特性是今后的重要课题。

图4：澳大利亚的LCO 2米望远镜上搭载的MuSCAT4相机（红色圆圈部分）（图片来源：天体生物学中心）

用语解说

*1太阳系外行星：太阳系之外存在的行星

*2黑子：恒星的磁场活动造成的恒星的光球面上呈现一个温度较低的暗黑区域

*3凌星现象：围绕恒星公转的行星，从地球角度看呈现在恒星面前穿过的现象

*4红矮星：比太阳更小，红色，发暗的恒星。指有效温度在2000-4000开尔文的恒星

*5 MuSCAT3, MuSCAT4：是东京大学和天体生物学中心联合开发的观测装置。

从青色光到红色光，g (400–550 nm), r (550–700 nm), i (700–820 nm), and zs (820–920 nm)4个不同颜色波段同时观测凌星的多色相机，光学设计上相同。 MuSCAT3相机搭载在夏威夷哈雷阿卡拉天文台的LCO 2米望远镜上，MuSCAT4相机搭载在澳大利亚赛丁斯普林天文台的LCO 2米望远镜上（见图4）

*6 超级海王星：是地球半径4倍，比海王星还大的行星。

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部