天文学家利用凯克天文台，测量了围绕遥远恒星运行的数十颗巨行星和褐矮星的自转。他们发现，巨行星的自转速度可以快于质量大得多的褐矮星，这挑战了关于质量与自转关系的简单假设。研究结果表明，磁场和形成过程在决定天体最终自转速度方面起着主要作用。
为了验证这种关系是否延伸至我们的宇宙邻近区域之外，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，研究了大样本的遥远巨行星。他们的调查涵盖了其他恒星系统中的 32 颗气态巨行星和褐矮星伴星，其中包括 6 颗比木星更大的行星和 25 颗褐矮星伴星。
观测结果揭示了一个有趣的趋势。当考虑质量、大小和年龄等因素时，巨型气态行星往往比质量更大的褐矮星自转得更快。为了加强分析，研究人员还纳入了其他研究的先前自转测量数据，建立了一个精心筛选的数据集，其中包括 43 个恒星/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。
这支国际团队由西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的科学家领导。合作者包括加州大学圣地亚哥分校天体物理学与空间科学中心（CASS）、加州理工学院地质与行星科学学部（GPS）、W. M. 凯克天文台、斯图尔德天文台、詹姆斯·C·怀扬特光学科学学院、NASA喷气推进实验室以及其他几个机构的研究人员。他们的发现发表在 《天文学期刊》 上。
测量遥远世界的自转
许多被研究的行星在距离其恒星数十到数百天文单位（AU，即地球与太阳之间的距离）的轨道上运行。科学家们仍在试图确定这些遥远世界的形成方式。有些可能在围绕年轻恒星的气体和尘埃盘中逐渐浮现，而另一些则可能通过更类似于恒星形成过程的坍缩过程形成。
为了进行调查，研究人员使用了凯克行星成像仪与表征仪（KPIC），这是一种能够分离直接来自这些遥远世界光线的专用仪器。当行星自转时，其大气层中的特征会导致光谱出现细微的展宽。通过测量这些变化，天文学家可以确定该天体的自转速度。
该研究的第一作者、CIERA 研究员 Dino Chih-Chun Hsu 在 W. M. 凯克天文台的新闻稿中解释了这些测量的意义：
“自转是行星形成过程的化石记录。通过测量这些世界的自转速度，我们可以开始重现数千万到数亿年前塑造它们的物理过程。借助 KPIC，我们可以探测到这些揭示行星围绕其他附近恒星自转的微小信号。我们的结果表明，行星的质量以及行星质量与其恒星质量之比都会影响行星最终的自转速度。这有助于我们锁定这些系统形成的物理机制。”
一颗巨行星的自转速度远超其更大邻居
最清晰的例子之一来自 HR 8799 系统。在该系统中，一颗质量约为木星 7 倍的气态巨行星，其自转速度比一颗质量约为木星 24 倍的褐矮星伴星快六倍。
研究人员认为，这种差异可能与天体早期历史中的磁相互作用有关。更强的磁场可以与周围的环绕行星盘发生更剧烈的相互作用，从而随着时间的推移减慢自转。在这种情况下，质量更大的褐矮星可能因其更强的磁场而损失了更多的原始自转速度。
这些发现不仅有助于科学家更好地理解遥远的行星系统，也有助于理解我们自身太阳系的起源。Hsu 说：
“角动量在行星间的分配方式影响着行星系统的整体架构。甚至地球的自转和磁场最终都与太阳系形成时自转预算的分配方式有关。KPIC 是同类仪器中的首创，开辟了一条研究系外行星的全新途径。它使我们能够测量像自转这样以前几乎无法探测的特性。”
未来对流浪行星和系外行星大气层的研究
该团队计划通过研究自由漂浮行星（FFP，通常称为“流浪行星”）的自转来扩展这项工作。研究人员还希望调查这些世界大气层的化学成分。
未来的观测将受益于新技术，包括凯克天文台即将投入使用的 HISPEC（用于系外行星表征的高分辨率红外光谱仪），该仪器计划于 2027 年开始运行。据 Hsu 介绍，这台新仪器将使研究比以往更小、更遥远的世界成为可能。
西北大学助理教授、该研究的合著者 Jason Wang 表示：
“我们吸取了 KPIC 的经验教训，并将其应用到 HISPEC 中，后者将具有更高的灵敏度、更高的光谱分辨率和更宽的波长覆盖范围。借助 HISPEC，我们将能够大幅增加可测量自转的行星数量，尤其是我们可以研究性质更接近我们木星的行星，看看我们的木星是否典型。”
研究人员认为，他们才刚刚开始揭开行星自转所能揭示的秘密。
“我们才刚刚开始探索行星自转能告诉我们什么，”Hsu 说，“随着未来的仪器和更大的望远镜，我们将能够测量更多世界的自转，并将整个行星系统中的自转、化学成分和形成历史联系起来。”