11月1日，The Astrophysical Journal（《天體物理雜志》）在線發(fā)表了中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)季江徽課題組對美國Kepler空間望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)的行星系統(tǒng)中近共振構(gòu)型形成機(jī)制的研究，該項(xiàng)研究對于揭示一類特殊的系外行星系統(tǒng)形成之謎提供了重要的理論依據(jù)。
Kepler空間望遠(yuǎn)鏡于2009年3月由美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射，其核心科學(xué)目標(biāo)是利用高精度光度測量法來探測銀河系中環(huán)繞著其他恒星的類地行星。截止到2014年7月，Kepler已發(fā)現(xiàn)超過2804個(gè)行星系統(tǒng)中的4230個(gè)系外凌星候選體。統(tǒng)計(jì)表明，在這些行星系統(tǒng)中相鄰行星的公轉(zhuǎn)軌道周期比在1.5和2.0附近處比例可分別達(dá)到10.5%和20.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他軌道周期比所占比例。這說明Kepler所發(fā)現(xiàn)的大量的行星系統(tǒng)中存在所謂的近共振構(gòu)型(如3:2與2:1共振)。其實(shí)在太陽系中，這種行星公轉(zhuǎn)軌道周期比接近簡單整數(shù)比的情況也很常見，例如木星每圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)約5圈，土星則圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)約2圈，其公轉(zhuǎn)周期比約為2:5；木星的三顆伽利略衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期之比也非常接近1:2:4，它們形成了復(fù)雜的Laplace共振。那么這樣的近共振的行星系統(tǒng)是如何形成的？在行星系統(tǒng)形成演化過程中又有哪些物理因素起到了至關(guān)重要的作用？
紫金山天文臺(tái)研究人員提出了這一類特殊行星系統(tǒng)的形成機(jī)制：首先，行星形成于距其中心恒星較遠(yuǎn)的區(qū)域，但行星與氣體盤的相互作用直接導(dǎo)致行星在演化中各自經(jīng)歷不同類型的向內(nèi)軌道遷移（即軌道半長軸逐漸減�。＿M(jìn)而，這些行星在遷移過程中被鎖定在平運(yùn)動(dòng)共振區(qū)域，即從內(nèi)向外每兩顆行星的公轉(zhuǎn)周期分別接近于簡單整數(shù)比。由于氣體盤消失等因素阻止了行星的進(jìn)一步遷移運(yùn)動(dòng)，從而使它們停留在中心恒星的周遭。伴隨著恒星的長期潮汐作用，行星的公轉(zhuǎn)軌道逐漸變得越來越圓，并最終形成目前的近共振構(gòu)型。研究人員統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與Kepler數(shù)據(jù)（圖1）在1.5與2.0峰值處吻合較好。研究還表明，恒星磁場對最終構(gòu)型的影響較��；高恒星吸積率易形成2:1共振而低恒星吸積率則對形成3:2共振有利；第一類軌道遷移速率的大小亦對共振構(gòu)型的形成有影響。因此，研究工作揭示了Kepler所發(fā)現(xiàn)的眾多近3:2與2:1共振行星系統(tǒng)的形成機(jī)制，對其他低質(zhì)量短周期系外行星共振構(gòu)型的形成亦有重要啟示。
該工作的第一作者是紫金山天文臺(tái)王素博士。
該項(xiàng)研究工作得到了中國科學(xué)院行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院天文戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、中國科學(xué)院新興與交叉學(xué)科布局項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
圖1 圖中黑色實(shí)線表示Kepler的探測數(shù)據(jù)，灰色虛線為研究中數(shù)值模擬結(jié)果，兩者在周期比為1.5與2.0處出現(xiàn)的峰值相吻合。
