科技日報記者 馬愛平
近期，《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）發(fā)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)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為計量天體之間距離的天文單位），這意味著由多顆類地行星組成的行星系統(tǒng)軌道分布十分緊致。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(tǒng)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?shù)厣桑滠壍琅c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(fā)生角動量交換，從而引起行星發(fā)生向內(nèi)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。
（紅矮星周圍低質(zhì)量行星分布）
研究人員基于行星形成的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在原位形成機制中行星僅能吸積附近幾個希爾半徑內(nèi)原行星盤的物質(zhì)，但由于缺乏含水物質(zhì)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(zhì)量更大的類地行星。在向內(nèi)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(nèi)。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(nèi)側(cè)行星遷移方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)而向外側(cè)遷移，最終在黏性加熱與輻射加熱的過渡區(qū)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，研究發(fā)現(xiàn)在宜居區(qū)內(nèi)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(tǒng)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(zhì)量約為1.23 M⊕（M⊕為地球質(zhì)量）的行星；而向內(nèi)遷移與反向遷移機制可分別平均產(chǎn)生2.55個質(zhì)量約為3.76M⊕和2.85個質(zhì)量約為3.01M⊕的類地行星。研究人員從行星質(zhì)量、軌道半長徑和偏心率分布等方面將模擬結(jié)果和實際觀測樣本進行分析對比，發(fā)現(xiàn)反向遷移機制形成的行星分布與觀測數(shù)據(jù)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。
（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(fā)現(xiàn)首顆近鄰類太陽型恒星周圍具有地球質(zhì)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(jù)。
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。
（中國科學院紫金山天文臺供圖）
關鍵詞： 紫金山天文臺
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