中國天文學家利用郭守敬望遠鏡解開系外行星軌道之謎

系外行星軌道主要是類似太陽系行星的近圓形軌道還是大偏心率的橢圓軌道
中國一隊以南京大學謝基偉副教授和北京大學東蘇勃研究員為首的天文學家,利用國家天文台郭守敬望遠鏡的觀測數據發現了系外行星軌道分佈的規律,解開了長久以來困擾天文研究者的系外行星軌道形狀之謎。

行星作為宇宙中最基本的天體之一普通卻又不平凡。普通是因為它在宇宙中是非常普遍的,不平凡則是因為它是生命和文明的搖籃。承載著人類對揭開生命起源和尋求地外生命的強烈願望,行星的探測及其形成演化的研究歷史非常悠久。上世紀90年代,人們對行星的認識還僅局限在太陽系內。1995年,天文學家用視向速度法發現了圍繞主序恆星的第一顆太陽系外行星(簡稱系外行星)51 Peg b,拉開了系外行星研究的序幕。該領域迅速成為了當今科學前沿的一大熱點。截至現在,發現並確認的系外行星已超過三千五百顆,其中很大一部分都是最近幾年由美國太空總署的刻卜勒(Kepler)太空望遠鏡用掩星觀測中的凌日法發現的。刻卜勒太空望遠鏡的發現,將系外行星的研究推向了一個前所未有的高潮。

然而,僅通過刻卜勒太空望遠鏡本身的觀測數據對了解系外行星的性質有很大局限性,其中刻卜勒太空望遠鏡數據不能直接測量的一個基本性質就是行星軌道的形狀,即偏心率。偏心率取值在0到1之間,值越大則軌道越偏離圓形。九成半以上的刻卜勒太空望遠鏡行星軌道偏心率還是未知的。軌道偏心率對了解行星系統的形成至關重要。太陽系八大行星的偏心率非常小,軌道大都是近圓形(平均值0.06)且幾乎在一個平面上(軌道平均相對傾角只有三度左右)。幾百年前,康德和拉普拉斯受到太陽系行星近圓、共面軌道分佈規律的啟發,提出了行星系統在盤上誕生的學說。該學說逐步發展成當今行星形成的標準模型。但是最初用視向速度方法發現的上百顆系外行星的軌道形狀分佈出乎人們的意料。它們大多數的軌道都是偏心率很大的橢圓(平均偏心率達到0.3),與太陽系的行星迥然不同,挑戰了標準模型,成了一直以來困擾天文研究者的系外行星軌道偏心率之謎。

解開這個謎底對研究行星形成和演化以及如何審視我們太陽系在宇宙行星世界中的位置都有非常重要的意義。近幾年來,郭守敬望遠鏡在刻卜勒太空望遠鏡觀測天區得到了數萬條光譜,其中包括數百個行星的宿主恆星。通過與其他高精度方法(如星震學和高分辨率光譜)的比較論證,謝基偉和東蘇勃發現郭守敬望遠鏡光譜對恆星基本屬性的測量結果非常可靠,達到相當高的精度。他們意識到郭守敬望遠鏡數據可以用來解開太陽系外行星軌道偏心率的謎題。

他們採用的測量偏心率的方法是用宿主恆星半徑作為標尺丈量行星凌星時長的分佈,而實施該方法需要得到恆星的精確參數。謝基偉等人分析了近七百顆具有郭守敬望遠鏡宿主恆星參數的刻卜勒太空望遠鏡行星樣本,結合郭守敬望遠鏡的光譜數據和刻卜勒太空望遠鏡觀測到的光變曲線,得到了這些行星的軌道偏心率和傾角的統計分佈規律。最終發現約八成的行星軌道都如同太陽系,軌道為近圓形(平均偏心率小於0.1),只有兩成左右的行星偏心率較大(平均值大於0.3)、顯著地偏離了圓軌道。他們的研究還揭示,刻卜勒太空望遠鏡多行星系統的平均軌道偏心率和軌道傾角符合太陽系中天體的規律,約呈線性關係。近圓軌道的普遍性意味著行星形成的主旋律應該是溫和的,而造成高偏心率軌道的劇烈行星軌道演化過程只是少數派。

謝基偉表示:系外行星軌道形狀謎底的解開對理解行星形成演化提供了重要的線索。此外,這個謎底也告訴我們,從軌道形狀角度看,太陽系在宇宙中是具有代表性的。這種代表性某種程度上也增強了人類尋找另一個地球和地外生命的信心。

【圖、文:節錄自中國科學院國家天文台網頁 ;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的《美國科學院院刊》

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