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紫金山天文台揭示开普勒环双星系统中行星的轨道形成机制

紫金山天文台揭示开普勒环双星系统中行星的轨道形成机制

  10月31日,国际天文学术期刊The Astronomical Journal在线发表了中国科学院紫金山天文台季江徽课题组对美国开普勒(Kepler)空间望远镜所发现的环双星系统中的行星(Circumbinary Planets,简称CBP)轨道构型研究结果。该项工作揭示了CBP轨道的可能形成机制,深化了人们对特殊恒星环境下行星形成的新认识。

  Kepler空间望远镜于2009年3月由美国国家航空航天局(NASA)发射,其科学目标是利用高精度光度测量法来探测银河系中环绕着其他恒星的类地行星。截止到2017年4月,Kepler已发现超过3483个行星系统中的4496个系外凌星候选体。而在其中,Kepler的一个重大发现是在主序双星周围发现了环双星的行星。最出名的环双星行星或许是科幻电影《星球大战》中的“塔图因”星,它绕着一个双恒星系统运转,如果我们在这颗行星上凝视太空,能同时看到两个落日的壮丽景象。目前已发现的CBP有11颗,分别在9个主序双星系统附近运动。

  这些行星的发现引起了科学家的广泛兴趣:在双星这样的特殊环境下它们如何形成?为什么这些天体会聚集在双星的不稳定边界附近?双星周边的宜居区又是怎样?这些科学问题无疑对现有的建立在太阳系这种单恒星系统上的传统行星形成理论提出了挑战。行星的核吸积形成理论指出,在离双星较近处,双星较强的引力扰动会加剧星子之间的相对碰撞速度,因而不利于星子进一步吸积生长为行星。通常认为CBP是在距离双星较远的地方形成,然后通过轨道迁移到当前的位置;但是已有的模拟结果表明,CBP一般会停止在目前观测位置的外侧,而无法抵达当前的轨道。

  在这项研究中,紫金山天文台科研人员提出了一种新的机制,即目前观测到的CBP轨道构型由双星系统中行星与行星间的散射机制所致。对多颗CBP在盘中迁移的模拟工作显示,这些天体首先会进入轨道共振构型,而随着盘中气体的消散,它们之间会发生散射。研究发现,行星的质量比和初始的相对位置是决定行星轨道空间分布的两个重要因素,行星与行星间的散射机制很好地解释了目前Kepler所观测到的CBP轨道构型,例如Kepler-34b的形成过程。

  该工作的第一作者是紫金山天文台博士后宫衍香,合作导师为季江徽。

  该项研究拼搏在线 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)、中科院新兴与交叉学科布局项目、国家自然科学基金等的资助。

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图1. 艺术家创作的环双星系统中的行星图

  图2. Kepler-34b首先和一颗0.2个木星质量的行星进入3:2轨道共振构型。在行星之间以及行星和内部双星Kepler-34(AB)之间的共同作用下,小质量行星被散射出系统,Kepler-34b达到目前观测的轨道构型。红虚线为Keple-34(AB)周围的不稳定边界,黑虚线为目前的观测位置。




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