中國天文學家揭露短週期類地行星的形成機制與軌道特徵

兩顆氣態巨行星的行星系統演化
中國科學院紫金山天文台研究員季江徽對短週期類地行星的形成機制與軌道特徵的研究得到成果,顯示行星系統的形成演化具有重要意義。

目前系外行星已發現了超過三千五百顆。美國太空總署刻卜勒(Kepler)太空望遠鏡用掩星法發現了大量的短週期系外類地行星。 2015年11月10日,該計劃科學團隊發布了4,696顆行星侯選體,其中1,030顆證認為系外行星。觀測數據顯示短週期類地行星在系外行星系統中較常見,然而這與太陽系的類地行星觀測事實迥然不同,那麼這些短週期類地行星究竟是如何形成的?它們具有哪些特徵?

短週期類地行星的形成可能有以下機制:一種可能是它們在本地形成,這就要求在其形成之初原行星盤具有較大質量,方可為生成多個類地行星提供足夠的原材料;另一種可能是行星胚胎在行星盤中經歷向內軌道遷移而形成,尤其是行星胚胎的第一類軌道遷移和氣態巨行星第二類軌道遷移過程的影響,行星胚胎遷移將促使系統內部物質的累積從而增大形成類地行星的概率。而氣態巨行星的遷移過程則會激發其軌道以內星子與行星胚胎的軌道偏心率,從而增大它們之間的碰撞機率,因此可形成更大質量的短週期超級地球。

在證認的行星系統中發現了許多行星的軌道公轉週期接近簡單整數比,如三顆行星公轉週期之比接近於4:2:1。在太陽系中,木星的三顆伽利略衛星的軌道周期也呈現這樣的規律,即構成所謂的拉普拉斯共振(Laplace resonance)。但是在系外行星的群體中,這類行星的近共振構型是如何形成的,在行星系統中是否普遍存在?

在該項工作中,研究人員基於行星盤的模型並針對不同天體的運動特點,開展了大量的數值模擬研究,討論了氣態巨行星(如木星質量或土星質量的行星)的軌道遷移、巨行星的數目多少、只存在類地行星等不同情形,探討了短週期類地行星的可能形成機制和軌道分佈特徵。研究表明,在氣態巨行星的遷移作用影響下,所研究的行星系統中均可生成短週期類地行星,且有兩組演化結果出現了類地行星與兩顆氣態巨行星之間形成了近4:2:1共振,這從而可以解釋刻卜勒-238與刻卜勒-302這兩個行星系統構型的形成。研究人員還針對只存在類地行星的情形進行了數值模擬,通過35組模擬發現,大約有17%的算例在第一類軌道遷移作用下系統中也可形成近4:2:1共振構型。這些研究進而可解釋其他類似行星系統形成與演化規律。這項研究不僅有助於人們深入理解短週期類地行星的形成機制和軌道特徵,對於認識我們太陽系的起源演化也有重要科學意義。

【圖、文:節錄自中國科學院紫金山天文台網頁;新聞訊息由林景明提供】

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