LAMOST：系外行星系统普查！

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引言：从行星统计到宇宙法则


当我们仰望星空，或许不会想到，人类对行星运行规律的统计研究，曾深刻改变了我们对宇宙的认知。


历史上，行星统计的意义远超想象——正是基于对太阳系行星轨道数据的系统分析，开普勒发现了著名的行星运动第三定律，揭示了行星轨道周期与轨道半径之间的精确数学关系（图1）。这一发现不仅描述了行星如何绕太阳运行，更为后来牛顿发现万有引力定律奠定了坚实基础。从这一历史视角看，行星统计的意义极为重大：它不仅是天文学家整理观测数据的方法，更是揭示宇宙基本物理定律的重要途径。行星统计帮助人类理解了支配宇宙运行的基本法则。

图1 开普勒（左）和他统计发现的开普勒第三定律（右）。


2025年是系外行星研究史上具有里程碑意义的一年——30年前，天文学家发现了第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星51 Peg b，这一发现不仅为其发现者赢得了2019年诺贝尔物理学奖，更开启了一个全新的天文学研究领域。在这三十年间，系外行星研究从最初的零星发现，发展到今天近6000颗。行星统计已经进入了一个崭新的"系外行星大普查"时代。中国自主研制的"大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜"（LAMOST，又称郭守敬望远镜）作为世界上光谱获取能力最高的望远镜之一，正在这一领域发挥着越来越重要的作用。


本文将从历史发展的视角，回顾、总结和展望行星统计研究的过去、现在与未来，并重点介绍LAMOST在这一领域的重要贡献。




一/
回顾行星探索之路


[ 思想的萌芽：从哥白尼到布鲁诺 ]
系外行星的概念早在四百多年前就已经萌芽。哥白尼提出日心说，打破了人类几千年来的地球中心论宇宙观。而布鲁诺则在哥白尼的基础上更进一步，他在著作《论无限宇宙和众世界》中大胆提出：宇宙应该是无限的，存在着众多类似地球的行星世界，这些世界也围绕着它们自己的太阳运转。布鲁诺的这个猜想在1995年得到了科学验证—梅耶和奎洛兹在一颗类太阳恒星周围发现了第一颗系外行星飞马座51 b，开启了系外行星探索的新纪元（图2）。

图2:不同时期下，行星在周期-质量图中的分布（该图为动图）。


[ 太阳系内行星时代：奠定基础 ]
在系外行星发现之前，行星研究主要局限于太阳系内部。这一阶段产生了许多影响深远的重要发现。1781年，赫歇尔发现了天王星，1846年加勒和勒维耶通过计算预测发现了海王星。1930年汤博发现冥王星，1990年之后大批海王星外天体（TNO）的发现，并直接导致冥王星降级为矮行星。这些发现扩展了我们对太阳系边界的认识，并逐步加深了我们对行星系统形成和演化的理解（图3）。

图3 行星探索之路的几个标志性时代。


[ 系外行星时代：从零星发现到大样本普查 ]
系外行星的探索历程可以根据探测方法和发现行星类型的变化，大概可以将系外行星的这30年一分为二（图3）：


巨行星时代（前15年：1995-2010）：这一阶段以地面视向速度法探测为主，主要发现的是木星量级的巨行星。视向速度法通过测量恒星由于行星引力引起的微小晃动来推断行星的存在。这一阶段的重要成果之一是发现了"热木星"—轨道周期极短的气态巨行星，比如1995年划时代的诺奖级发现—飞马座51b。这类行星的发现彻底改变了我们对行星系统形成的传统认识。


超级地球和亚海王星时代（后15年：2010-至今）：以Kepler、TESS等空间望远镜的凌星探测为主，探测能力和效率大大提高。凌星法通过测量行星经过恒星前面时引起的恒星亮度微小下降来发现行星。这一方法发现了大量介于地球和海王星之间的行星，被称为超级地球（以岩石成分为主）和亚海王星（可能拥有浓厚大气层）。

截至目前（2025年8月28日），人类确认的系外行星数量已经达到5989颗（数据来源https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu），且还在快速增长中。这些行星呈现出令人惊叹的多样性，从极端高温的"熔岩世界"到可能适宜生命存在的"宜居带行星"，应有尽有。

二 / 
行星统计研究的重要进展


[ 太阳系内行星时代 ]
若论太阳系行星研究历史上最重要的进展，我首先想到的便是本文开头所提及的开普勒定律。开普勒通过对行星运动数据的系统分析，归纳出行星运动的三大定律。这些定律不仅深刻揭示了行星运动的规律，也为后来牛顿发现万有引力定律奠定了重要基础。可以说，开普勒定律的意义早已超越行星科学本身，成为整个自然科学领域的里程碑。


若再举一例，我同样会从太阳系行星轨道的统计特征出发——即八大行星的轨道几乎共面且接近圆形。基于这些轨道特征，康德和拉普拉斯提出了行星形成的“星云假说”。该学说经过后续不断修正与完善，逐步发展成了现代行星形成理论的基本框架（图4）。

图4 康德和拉普拉斯基于太阳系行星轨道统计特征提出了行星形成的“星云假说”。


[ 系外行星时代 ]
随着系外行星样本的持续积累，统计研究逐渐揭示出许多重要规律。以下我将分别以早期的巨行星时代和近期的超级地球/亚海王星时代为例，各选取一个典型发现进行说明。


巨行星-金属丰度相关性：随着越来越多类木气态巨行星被探测到，一项统计规律逐渐浮现并得到进一步验证——这类行星明显倾向于围绕高金属丰度的恒星运行。金属丰度指的是恒星中重于氦的元素的含量。该发现与当前主流行星形成理论——即核吸积模型（Core Accretion）高度吻合，可谓为该理论提供了坚实的观测基础（图5左）。


超级地球和亚海王星间的“半径谷”：近年来一个引人注目的发现是，系外行星的半径分布在约1.7倍地球半径处存在一个明显的低谷（valley），这一“半径谷”自然地将超级地球与亚海王星区分开来，从而揭示小质量行星存在不同的族群，为理解行星系统的形成与演化机制开辟了新的研究方向。值得一提的是，该现象的揭示得益于行星半径测量精度的显著提升，而其前提则是恒星半径的高精度测定。近年来，基于大规模恒星光谱样本的观测使得恒星参数的确定更加准确，从而将系外行星的半径误差控制在了10%以内，最终使“半径谷”这一特征清晰呈现（图5右）。

图5 太阳系外行星（巨行星）时代的重要行星统计成果：发现巨星与宿主恒星金属丰度的相关性（左）。太阳系外行星（超级地球和亚海王星）时代的重要行星统计成果：发现行星半径谷（右）。


三 /
LAMOST在系外行星统计中的贡献


[ 系外行星普查为什么需要LAMOST？]
系外行星研究的一个重要转折点是从个别行星的详细研究转向大样本统计研究。这种转变类似于从个案调查到人口普查的飞跃，需要大规模、高质量的数据支持。


行星与恒星的密切关系。 在天文学界有一句名言："Know thy star, know thy planet"（了解你的恒星，就能了解你的行星）。这句话深刻地揭示了系外行星研究的一个关键点：要深入了解行星，必须首先详细了解其宿主恒星。以凌星法为例，这种方法只能告诉我们行星的周期和相对大小（行星与恒星的半径比）。要得到行星的绝对大小，我们需要知道恒星的半径；要得到行星的质量，我们需要结合视向速度测量和恒星质量的信息；要了解行星系统的形成和演化历史，我们需要知道恒星的年龄、化学组成和在银河系中的位置。行星普查好比人口普查，要深入了解每个小孩的关键是了解他们的家长。


LAMOST的独特优势。LAMOST在设计上具有几个独特优势，使其成为系外行星统计研究的理想工具。首先是其大视场和多目标能力：LAMOST的4000根光纤可以同时观测4000个天体，这种高效率的光谱获取能力是世界上其他望远镜难以比拟的。其次是长时间巡天积累：LAMOST已经对Kepler和TESS等重要系外行星巡天望远镜观测天区进行了多年的巡天观测，积累了海量的光谱数据。这些数据为系外行星研究提供了均匀、统一的恒星参数大样本。此外很重要的是高精度参数测量：LAMOST光谱可以提供恒星的半径、质量、表面重力、金属丰度、年龄等关键参数，这些参数对于系外行星研究至关重要。

位于我国河北兴隆的LAMOST（郭守敬）望远镜。拍摄 / 杨铭森




/ 成果举例


近十年来，天文学研究人员依托LAMOST数据，在系外行星统计研究领域取得了多项重要进展。以下简要介绍其中部分代表性成果。


[ 揭示行星轨道分布规律 ]
如前言所述，太阳系存在两大观测事实：其一，八大行星的轨道几乎共面，平均轨道倾角仅约3度；其二，行星轨道接近圆形，平均偏心率仅为0.06。如此高度规则的结构，它在宇宙中是特殊的么？随着数千颗系外行星陆续被发现，一个自然浮现的问题是：它们的轨道又呈现出怎样的分布特征？


基于LAMOST与Kepler望远镜的协同观测数据，研究人员系统测量了系外行星的轨道偏心率和倾角分布，发现绝大多数（80%–90%）小质量行星的轨道偏心率接近圆形，仅少数表现出较高偏心率。更值得注意的是，研究指出Kepler望远镜发现的多行星系统与太阳系行星等天体在平均轨道偏心率和平均倾角上，均遵循同一线性关系（图7）。这一发现表明，类似太阳系的“扁平且近圆”的轨道构型，在宇宙中并不特殊；从轨道特性角度看，太阳系并非“特例”。该项研究入选“2016年度中国十大天文科技进展”。

图7: 揭示行星轨道分布规律。
Xie et al. 2016 PNAS, https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1604692113）


[ 发现新的行星族群
——热海星 ]
随着越来越多的热木星被观测到，前人通过统计研究逐渐总结出它们两个标志性的特征：第一，如前文所述，热木星的产生与宿主恒星的金属丰度密切相关，它们更常见于金属含量较高的恒星周围；第二，热木星周围很少共存其他行星，显得较为“孤独”。有人形象地总结为：热木星就像是诞生在“富贵家庭中的独生子女”。


在研究热木星的过程中，研究人员借助LAMOST与Kepler望远镜的协同观测数据——尤其是LAMOST提供的大规模恒星金属丰度信息——发现了一类与热木星物理特性相似、但尺寸更小的行星群体。这类行星同样具备两个典型特征：倾向于高金属丰度环境，且多为该恒星系中的唯一行星；但其平均尺寸仅约为海王星大小（约地球半径的2–6倍）。这类天体被命名为“热海星”，堪称热木星的“表亲”。该发现为理解行星的形成与演化机制提供了新的线索，相关成果入选“2018年度中国十大天文科技进展”

图8：发现新的行星族群——热海星。（左）热木星和热海星的艺术对比图(喻京川提供)。（右）随着宿主恒星金属丰度的升高，热木星（绿色部分）和热海星（粉红色部分）在周期-半径（Period-Rp）图中逐渐显现，且出现几率（frequency）几乎同步增加（此图取自Dong et al. 2018 PNAS, https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1711406115）。

[ 揭示行星系统演化证据：
PAST系列成果 ]
随着Gaia卫星观测数据的发布，LAMOST在系外行星研究中的作用进一步凸显。通过融合LAMOST的光谱数据、Kepler的测光数据以及Gaia的高精度天体测量数据，研究人员得以将系外行星的普查置于银河系的大背景下，深入探索行星与星系环境之间的关系及其随时间演化的历史。


基于这一理念，研究团队开展了名为PAST（Planet Across Space and Time，中文意为“穿越”）的一系列研究。该名称具有双重寓意：一是“过去”，反映天文学家对宇宙历史的研究始终怀有浓厚兴趣，希望通过追溯过去以理解万物演化；二是“穿越”，象征着借助观测数据“穿越”时间，直接窥探行星系统的演化历程。PAST项目的核心科学目标，是寻找行星系统演化的直接观测证据。尽管我们无法直接重现太阳系的形成过程，但若能将数千个系外行星系统按年龄排序，便有可能识别出演化中的规律性特征。事实上，PAST在对不同族群的系外行星进行分类研究时，确实发现了此类演化迹象。


在热木星方面，PAST研究显示，热木星的出现率随系统年龄增长显著下降，在约10亿年后减少近半。与此形成鲜明对比的是，轨道半径较大的“冷木星”的出现率则基本不随年龄变化。进一步分析表明，热木星出现率的下降并非匀速：在20亿年前较为缓慢，而在20亿年后明显加速。这一“节奏变化”提示热木星的形成机制可能存在多个不同时标的过程。通过与理论模型对比，PAST估计约有40%的热木星需经长期机制在晚期形成。该结果不仅对理解热木星起源具有重要意义，也为潮汐瓦解吞噬热木星理论提供了大样本统计支持。

图9：揭示热木星的出现率随年龄下降（上）而冷木星的出现率则基本不随年龄变化（下）。(此图左边取自Chen et al. 2023 PNAS, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304179120, 右边由喻京川提供)


在超短周期行星（Ultra Short Period planets, 简称USP行星，公转周期少于24小时）方面，这类极端轨道的行星对传统形成理论提出了重大挑战。PAST利用LAMOST与Gaia联合构建的恒星运动学年龄估算体系，首次给出了USP行星发生率随恒星年龄增长的定量关系，并揭示了其构型在数十亿年时间尺度上的演化特征。研究表明，大多数USP行星可能形成于数十亿年后，极早期形成机制（如原行星盘迁移）并非主流。此外，年轻与年老USP系统在轨道构型上存在差异，暗示它们可能经历了不同的迁移历史。这些发现为揭示这类“熔岩世界”的起源提供了关键观测依据。

图10：揭示超短周期行星的出现率随年龄上升的规律。(此图左边取自Tu et al. 2025, Nature Astronomy, https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304179120)

在超级地球和亚海王星方面，PAST研究还揭示了它们出现率与年龄之间的关系及系统轨道构型的长期演化特征：平均轨道倾角随年龄缓慢增加。值得注意的是，无论是太阳系还是Kepler发现的系外行星系统，均符合这一规律。Kepler系统平均年龄约为20-30亿年，比太阳系年轻，其轨道倾角更小、构型更扁平。反向推测表明，早期太阳系可能也更扁平且行星数量更多，这与某些太阳系演化模型相一致。此外，PAST还分析了行星“半径谷”随时间的变化，发现其显著度与不对称性等形态特征均随年龄发生演变，为理解超级地球与亚海王星的起源及演化提供了重要线索。

图11：揭示行星系统的轨道倾角弥散随年龄有长期上升趋势。(此图左边取自Yang et al. 2024, AJ,https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad0368)

四/ 未来展望


系外系外行星统计研究正迎来前所未有的发展机遇。根据当前观测进展的趋势推算，到2030年，人类发现的系外行星数量预计将突破十万颗；而到2050年，这一数字甚至可能达到惊人的一亿！如此海量的样本，将使行星科学研究进入一个全新时代——统计研究将覆盖更宽广的物理参数和动态环境，从而揭示更多行星形成与演化的普遍规律。

图12：发现的太阳系外行星数目（左）和银河系外恒星系统（即，河外星系，右）与年份的对比图。


我们可以从河外星系研究的历史中得到启发。该领域起步较早（以1924年哈勃确认仙女座星系位于银河系之外为标志），在过去数十年中，依托大规模光谱巡天所积累的海量星系样本，科学家们极大地推进了对银河系乃至整个宇宙起源的认知。类似的变化正在系外行星领域上演。正如河外星系研究在上一个世纪取得的辉煌成就，系外行星科学也有望在未来几十年迎来“大样本时代”的繁荣，深刻改变我们对太阳系、地球以及生命起源的理解。


从方法论角度看，河外星系研究的一个重要里程碑是哈勃提出的“音叉图”——星系形态分类系统，这一经典成果至今仍被列入天文教科书。那么，在系外行星领域是否也会出现类似的系统性分类框架？随着系外行星样本呈数量级增长，我们对行星族群划分与属性归纳的认识，很有可能迎来革命性突破。未来的系外行星“分类图景”，或许将成为理解行星世界多样性与演化路径的关键。

图13：对比太阳系外行星和银河系外恒星系统（即，河外星系），未来我们对行星分类和统计很有可能迎来革命性突破。




五/ 总结


系外行星普查统计正迎来它的“黄金时代”，在这一进程中，LAMOST等大型恒星巡天项目通过提供高质量的恒星参数，发挥着不可替代的作用。随着观测技术的进步和样本数量的急剧增长，该领域的研究范式正发生深刻转变：从对单一行星的细致研究扩展至大样本统计、从静态分析走向动态演化探索、从行星本身延伸至行星—恒星—星系环境的系统研究。其中，对行星系统“时间维度”——即年龄——的追溯，尤为关键，将帮助我们回答“地球是否特殊”和“生命如何起源”这类根本性命题。展望未来，LAMOST等大科学装置将继续支撑中国天文学家在系外行星领域实现更多突破，推动人类揭示更多宇宙的奥秘。




作者简介 /

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谢基伟，现任南京大学天文与空间科学学院教授、副院长，中国天文学会行星专业委员会副主任，中国郭守敬望远镜（LAMOST）科学委员会和用户委员会委员，《天文学报》副主编，江苏省首席科技传播专家、“科普校园行专家”、“苏州科普大使”，入选国家级青年人才，主要研究领域为太阳系外行星的统计普查、形成和演化。2019年得到江苏省杰出青年基金支持，并获得中国天文学会第七届“黄授书奖”，亚太地球科学学会（AOGS）“卡米德讲座奖”以及江苏省天文学会科学技术一等奖（第二完成人）。2022年在中国天文学会成立百年纪念大会上被授予“中国天文学会2012-2022年度突出贡献奖”。研究成果曾分别被评为2016年度和2018年度中国十大天文科技进展。



主编 / 罗阿理  
编辑 / 怀尘

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