天文學家利用郭守敬數據理解類太陽系的行星系統普遍性


自從2009年美國太空總署的刻卜勒(Kepler)太空望遠鏡升空以來,人類已經發現了數千顆系外行星。令人意外的是,絕大多數的這些系外行星與太陽系已知行星很不一樣。這些系外行星大小介於地球和海王星之間,軌道周期一般在一百天以內,而這些稱為超級地球的行星並不存在於我們太陽系。相比較而言,太陽系的八大行星要有些太小,有些離主星太遠。那麼,太陽系難道是行星系統裡的一個另類?

近幾年來的多項研究似乎驗證了這個假設,天文學家發現超過一半的類太陽恆星周圍都存在至少一個超級地球。這就意味著,類似太陽系一樣的行星系統屬於少數群體。然而,這些研究中都有一個假設:它們假定多行星系統裡面的行星的軌道都是共面的。對太陽系和刻卜勒太空望遠鏡觀測到的多個緊密系統(至少五個行星的系統)的分析顯示,這一假設似乎是成立的。但是,刻卜勒太空望遠鏡發現的絕大多數行星並不存在於緊密系統之中,所以軌道共面的假設並不一定成立。

加拿大理論天體物理研究所祝偉博士領導的科研團隊利用國家天文台郭守敬望遠鏡的觀測數據研究發現,當系統內部行星數量較少時,軌道共面的假設確實是不成立的。以此為基礎,研究團隊重新估計了擁有超級地球的恆星比例,發現類似太陽系一樣的不含超級地球的系統其實是佔絕大多數。

郭守敬望遠鏡至2017年底已經完成了對近六萬顆位於刻卜勒天區的恆星光譜觀測,得到了精確的恆星參數。研究團隊從這些數據裡提取出三萬顆類太陽的恆星,其中的589顆周圍擁有共827顆掩食行星。研究團隊按照掩食行星數量的不同對這些系統進行了劃分。研究團隊還利用了一種叫做掩食時變(transit timing variation)的效應。按照刻卜勒第三定律,行星圍繞主星的運動存在一個固定週期,從而不同的掩食事件之間的時間間隔應該是軌道周期的整數倍。但當系統內存在多個行星時,其他行星的引力效應可以擾動發生掩食的行星軌道,導致不同掩食事件之間的時差偏離軌道周期的整數倍。利用這一效應,人們可以知道同一系統內部是否還存在其他的行星,尤其是與掩食行星軌道不共面的行星。研究團隊找出了所有存在掩食時變效應的行星,然後同樣按照系統裡面掩食行星數量的不同進行了劃分。研究團隊發現,在假定所有的多行星系統都是共面的情況下得到的理論曲線無法解釋這些數據。為了更好地解釋這些觀測數據,研究團隊發現越少行星的系統必須越熱(也就是說,裡面的各個行星軌道越不共面),而越多行星的系統必須越冷(裡面的行星軌道越趨於共面)。這一發現和之前謝基偉等人利用郭守敬望遠鏡數據發現的刻卜勒系統離心率的規律也是相符。

既然多行星系統軌道共面的假設不再成立,之前基於此的統計結果也就被推翻。基於新的多行星系統的軌道分佈規律,研究團隊發現只有三成的類太陽恆星周圍存在超級地球。也就是說,像太陽系一樣不存在超級地球的恆星其實是佔大多數的。更有趣的,研究團隊還發現,平均每個刻卜勒太空望遠鏡探測到的行星系統在略大於一個地球年(四百天)的範圍以內擁有三個超級地球,而我們太陽係正好也擁有水星、金星和地球三個個頭相對較小的行星。目前還無法知曉這是一種巧合還是另有深意。

【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《天體物理學報》

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