在探索宇宙奥秘的征程中，天文学家借助先进的观测设备，不断揭示系外行星的神秘面纱。近期，一项利用W.M.凯克天文台开展的研究，为行星系统的形成和演化提供了关键线索。研究发现，巨行星的自转速度可能比质量更大的褐矮星更快，这一发现挑战了以往人们对行星自转与质量关系的认知。
长久以来，天文学家一直怀疑行星的质量与其自转速度存在某种联系。以我们的太阳系为例，木星和土星自转速度极快，每颗行星大约10小时就能完成一次自转，并且它们共同拥有太阳系的大部分旋转能量。这一现象引发了科学家们的深入思考，他们猜测在其他星系中，行星的自转速度或许也与质量有着紧密关联。
为了验证这一猜想，来自西北大学跨学科探索与天体物理研究中心（CIERA）的科学家牵头，联合加州大学圣地亚哥分校天体物理与空间科学中心（CASS）、加州理工学院地质与行星科学部（GPS）等多所机构的研究人员，利用位于夏威夷冒纳凯阿火山的W.M.凯克天文台，对32颗遥远的气态巨行星和褐矮星展开了研究。这些研究对象包括6颗比木星大的巨行星和25颗褐矮星伴星。
研究团队借助凯克行星成像仪与特征仪（KPIC）的高分辨率光谱数据，对目标天体进行了细致分析。在综合考虑质量、大小和年龄等因素后，他们发现气态巨行星的自转速度比质量更大的天体更快。为了进一步确保研究结果的准确性，研究人员还将他们的结果与早期的自转测量数据相结合，构建了一个经过筛选的样本，其中包括43个恒星及亚恒星伴星和巨行星，以及54个自由漂浮的褐矮星和行星质量天体。
在研究过程中，天文学家面临着一个难题：如何测量系外行星的自转速率。本研究中观测到的许多行星绕其恒星运行的距离为数十到数百个天文单位（AU，即地球与太阳之间的距离）。对于这些遥远行星的形成方式，天文学家仍存在争议，究竟是在星周盘内逐渐形成，还是类似于恒星形成的引力坍缩过程。为了解开这一谜团，研究团队使用KPIC分离这些旋转行星发出的光，这会加宽其大气特征的光谱。通过分析这些特征，科学家们能够确定一颗行星的自转速度有多快。
主要作者、西北大学CIERA的研究员许志钧表示，自旋是行星形成方式的“化石记录”。通过测量这些星球的旋转速度，可以拼凑出在数千万到数亿年前塑造它们的物理过程。借助KPIC，能够检测到揭示其他邻近恒星周围行星旋转的微小信号。研究结果表明，行星的质量以及行星质量与其恒星质量的比值，都会影响行星最终的旋转速度，这有助于缩小这些系统形成的物理机制范围。
这种复杂关系在HR8799系统中得到了生动例证。该系统中有一颗质量约为木星7倍的气态巨行星，其自转速度比同一系统中质量为木星24倍的棕矮星伴星快6倍。科学家解释，这可能是由于行星早期磁场与行星周围盘之间的相互作用，导致它失去了部分自转速度。
系外行星是指围绕太阳系以外恒星运行的行星，它们大小、类型各异，既有类似地球的岩石行星，也有像木星般的气态巨行星。科学家通过凌日法、径向速度法等手段探测它们，这些行星的发现不仅深化了人类对行星系统的认知，也为寻找可能存在生命的天体提供了重要线索。此次关于行星质量与自转关系的研究，进一步丰富了我们对系外行星的认识。
研究团队并未满足于现有的成果，他们计划通过研究自由漂浮行星（FFPs，也被称为流浪行星）的自旋来扩展研究范围。同时，他们还希望调查这些行星大气的成分。这一目标将得到下一代仪器的协助，比如凯克天文台即将推出的HISPEC（用于系外行星表征的高分辨率红外光谱仪）。HISPEC将具有更好的灵敏度、更高的光谱分辨率和更宽的波长覆盖范围，能够大幅增加可测量自旋的行星数量，尤其可以研究性质更接近木星的行星，以了解我们的木星是否具有典型性。
