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紫金山天文台揭示短周期类地行星的形成机制与轨道特征

2017-02-24 紫金山天文台
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  2月23日,英国《皇家天文学会月刊》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)在线发表了中国科学院紫金山天文台研究员季江徽课题组关于短周期类地行星的形成机制与轨道特征的研究成果,该项研究对揭示行星系统的形成演化具有重要意义。

  目前系外行星已发现了超过3500颗。美国国家航空航天局Kepler计划基于凌星法发现了大量的短周期系外类地行星。2015年11月10日,该计划科学团队发布了4696颗行星候选体,其中1030颗被证认为行星。观测数据表明短周期类地行星在系外行星系统中较常见,然而这与太阳系的类地行星观测事实迥然不同,那么这些短周期类地行星究竟是如何形成的?它们具有哪些特征?

  短周期类地行星的形成可能有以下机制:一种可能是它们在本地形成,这就要求在其形成之初原行星盘具有较大质量,方可为生成多个类地行星提供足够的“原材料”;另一种可能是行星胚胎在行星盘中经历向内轨道迁移而形成,尤其是行星胚胎的第一类轨道迁移和气态巨行星第二类轨道迁移过程的影响,行星胚胎迁移将促使系统内部物质的累积从而增大形成类地行星的概率。而气态巨行星的迁移过程则会激发其轨道以内星子与行星胚胎的轨道偏心率,从而增大它们之间的碰撞几率,因此可形成更大质量的短周期超级地球。

  在被证认的行星系统中发现了许多行星的轨道公转周期接近简单整数比,如三颗行星公转周期之比接近于4:2:1。在太阳系中,木星的三颗伽利略卫星的轨道周期也呈现这样的规律,即构成所谓的拉普拉斯共振。但是在系外行星的群体中,这类行星的近共振构型是如何形成的,在行星系统中是否普遍存在?

  在该项工作中,研究人员基于行星盘的模型并针对不同天体的运动特点,开展了大量的数值模拟研究,讨论了气态巨行星(如木星质量或土星质量的行星)的轨道迁移、巨行星的数目多少、只存在类地行星等不同情形,探讨了短周期类地行星的可能形成机制和轨道分布特征。研究表明,在气态巨行星的迁移作用影响下,所研究的行星系统中均可生成短周期类地行星,且有两组演化结果出现了类地行星与两颗气态巨行星之间形成了近4:2:1共振(如图所示),从而可以解释Kepler-238与Kepler-302这两个行星系统构型的形成。研究人员还针对只存在类地行星的情形进行了数值模拟,通过35组模拟发现,大约有17%的算例在第一类轨道迁移作用下系统中也可形成近4:2:1共振构型。这些研究进而可解释其他类似行星系统形成与演化规律。这项研究不仅有助于人们深入理解短周期类地行星的形成机制和轨道特征,对于认识太阳系的起源演化也有重要科学意义。

  该工作得到了中科院行星科学重点实验室、中科院天文战略性先导科技专项(B类)、国家自然科学基金等项目资助。

  文章链接

 

  图:存在两颗气态巨行星的行星系统演化,质量为木星质量和土星质量的气态巨行星经历了第二类轨道迁移,系统中最终形成了一颗5.05地球质量的短周期类地行星。这三颗行星形成了近4:2:1共振构型。

打印 责任编辑:叶瑞优

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