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紫金山天文臺揭示紅矮星周圍宜居行星的形成機制

  近期,《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》發表了中國科學院紫金山天文臺研究成果,該項工作基于行星形成的模擬研究,揭示了紅矮星周圍的宜居行星在原行星盤中的形成機制。

  探索地球以外的宜居行星(即地球2.0)是天文學的基礎研究前沿,相關研究將回答“地球是否唯一”以及“行星如何成為生命搖籃”等重大科學問題。目前Kepler和TESS等空間望遠鏡發現了3300多顆系外行星,但探測到紅矮星周圍的宜居類地行星僅為38顆。紅矮星周圍類地行星的樣本統計分析表明,大部分行星非常接近其母星距離為0.01-0.2 AU(AU為天文單位),這意味著由多顆類地行星組成的行星系統軌道分布十分緊致(見圖 1)。那么紅矮星周圍的類地行星究竟是怎樣形成的?每個紅矮星系統平均擁有多少顆宜居行星?近鄰類太陽型恒星附近是否存在像地球一樣的宜居行星?

  通常有兩種理論來解釋類地行星的形成:一種理論認為目前觀測到的類地行星基本上在當地生成,其軌道與初始軌道幾乎相同,即為所謂的原位形成機制。還有一種理論認為,這些行星最初并不是在當前觀測的軌道位置,而是由于行星在形成過程中與原行星盤發生角動量交換,從而引起行星發生向內遷移或向外遷移(反向遷移)的過程,即為軌道遷移機制。因此基于不同的原行星盤模型及行星形成的理論,可深入探究紅矮星附近類地行星的形成演化歷史。

 

圖1 紅矮星周圍低質量行星分布

  研究人員基于行星形成的數值模擬發現,在原位形成機制中行星僅能吸積附近幾個希爾半徑內原行星盤的物質,但由于缺乏含水物質的傳輸,因此導致形成的行星一般不具有宜居性。不同的是,遷移機制下的原行星,在其遷移中可吸積較多星子而生長成質量更大的類地行星。在向內遷移模型中,最終觀察到所形成的超短周期類地行星分布在距離紅矮星0.01-0.03 AU 內。而反向遷移機制中則考慮了原行星盤不同的加熱機制,在盤內側行星遷移方向發生翻轉而向外側遷移,最終在黏性加熱與輻射加熱的過渡區域附近停止遷移,該機制可解釋紅矮星周圍類地行星的軌道分布特征(圖 2),研究發現在宜居區內形成的行星大多含有約10%的水,因此這些行星很可能具有宜居性。

  科研團隊進一步揭示了紅矮星系統中類地行星的生成率,例如原位形成模型中可平均生成7.77個質量約為1.23 M(M為地球質量)的行星;而向內遷移與反向遷移機制可分別平均產生2.55個質量約為3.76M和2.85個質量約為3.01M的類地行星。研究人員從行星質量、軌道半長徑和偏心率分布等方面將模擬結果和實際觀測樣本進行分析對比,發現反向遷移機制形成的行星分布與觀測數據具有較高的吻合度,揭示了紅矮星周圍宜居類地行星可能的形成機制。


圖2 不同形成機制下的行星分布與觀測樣本對比

  為深入研究類太陽型恒星和紅矮星周圍的宜居行星,紫金山天文臺提出了“近鄰宜居行星巡天計劃”(Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES) ,即采用空間高精度天體測量法來發現首顆近鄰類太陽型恒星周圍具有地球質量的宜居帶類地行星。因此,本項工作為探索紅矮星宜居行星形成演化提供了新思路,亦為“近鄰宜居行星巡天計劃”尋找地球2.0提供了理論依據。

  研究工作獲得中國科學院B類先導專項和國家自然科學基金重點項目等資助。

  文章鏈接:https://doi.org/10.1093/mnras/stab3611

  視頻鏈接:“近鄰宜居行星巡天計劃”

  前期研究鏈接:

  https://doi.org/10.3847/1538-3881/abcfb9

  https://doi.org/10.1093/mnras/staa1884

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