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紫金山天文台等揭示长周期行星系统近共振构型的形成机制

  近期,《The Astronomical Journal》在线发表了中国科学院紫金山天文台与加州大学圣克鲁兹分校等单位的合作成果,揭示了远离恒星的行星(轨道周期大于10天)之间形成近共振构型的机制以及原行星盘结构在这一过程中的重要作用。 

  通过对Kepler及其后续空间探测任务K2发布的约6000颗行星候选体的分析发现,同一系统中相邻两行星的周期比在近轨道共振的位置处有大量累积,如周期比在2.0,1.5等附近处。行星与原行星盘之间的相互作用造成的轨道迁移是行星之间进入精准轨道共振的有效机制。对于最内部行星距离中心恒星小于10天轨道周期的系统,恒星与行星之间的潮汐作用将使行星轨道发生微小变化,从而形成近共振构型。然而目前仍有大量近共振构型系统中最内部行星轨道周期远大于10天(Kepler任务候选体中有1054组这样的行星,周期比分布情况如图1左图所示)。针对这样的系统,研究人员发现原行星盘的存在时标和结构对系统形成近共振构型具有决定性作用。 

 

图1 观测上相邻行星之间周期比分布(左图),理论研究获得的行星周期比分布(右图) 

 

图2 行星之间形成不同近共振构型的演化过程,(a)轨道周期,(b)偏心率,(c)行星之间周期比 

  该研究工作提出行星在被共振俘获后将以相同步调保持轨道迁移状态,同时行星偏心率被激发。若此时原行星盘中仍有气体存在,气体的作用将会压制行星的偏心率,行星半长径随之发生改变,从而导致行星之间脱离精准共振进入近共振构型。在此过程中原行星盘的存在时标和结构尤为重要(图2显示了在该机制下行星进入近共振构型的演化过程)。研究结果表明,原行星盘的消散时标长于一百万年时,气体盘在行星进入共振后仍然有足够的时间来压制行星的偏心率,更易形成近共振构型;气体盘的纵横比更大时,气体盘对行星偏心率压制的时标与行星的迁移时标之间的比值更大,行星进入近共振的概率更大。同时,系统中最内部行星的位置与原行星盘中由光学薄到光学厚的过渡半径直接相关。在恒星演化的晚期,该半径小于0.2AU时,系统中最内部行星可以形成在10天的轨道周期处。该工作获得的统计结果与观测结果一致(图1右图),揭示了长周期行星系统近共振构型的形成机制。 

  该工作第一编辑是紫金山天文台王素副研究员,合编辑包括美国加州大学圣克鲁兹分校的林潮教授、清华大学的郑晓晨博士和紫金山天文台的季江徽研究员。该项工作得到了中国科学院B类先导专项(XDB41000000)、国家自然科学基金重点项目(12033010)、紫金山天文台小行星基金会等项目资助。 

  文章链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/abcfb9 

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