傳統(tǒng)行星形成理論認(rèn)為，熱木星周圍不會(huì)有其他行星存在。然而，2015年發(fā)現(xiàn)的緊湊多行星系統(tǒng)WASP-47對(duì)傳統(tǒng)行星形成理論提出了挑戰(zhàn)。

日前，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱紫金山天文臺(tái)）領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)基于WASP-47系統(tǒng)的獨(dú)特構(gòu)型，提出了一種新的形成機(jī)制，并揭示該特殊構(gòu)型的行星系統(tǒng)形成的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素。

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緊湊多行星系統(tǒng)WASP-47

宇宙中存在著一類“脾氣火爆”的氣態(tài)巨行星——熱木星。它由于“氣性”太大，導(dǎo)致運(yùn)行周期極短，不到10天便可繞其恒星一周。

而且，由于熱木星是從行星系統(tǒng)的外側(cè)逐漸向內(nèi)遷移而來，并在繞轉(zhuǎn)的過程中，將內(nèi)側(cè)的物質(zhì)清空，因此，熱木星在行星系統(tǒng)中通常是孤獨(dú)存在的，在其周圍不會(huì)有其他行星存在。

然而2015年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了緊湊多行星系統(tǒng)WASP-47，這是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的同時(shí)擁有一顆熱木星、一顆超短周期行星（軌道周期小于1天的行星），以及一顆外側(cè)低質(zhì)量行星的緊湊多行星系統(tǒng)。

這一發(fā)現(xiàn)意味著熱木星的形成可能并不像此前科學(xué)家認(rèn)為的那樣孤獨(dú)，而是經(jīng)歷了更加復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)演化過程。

紫金山天文臺(tái)領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種全新的行星系統(tǒng)形成機(jī)制，顯示W(wǎng)ASP-47系統(tǒng)的演化經(jīng)歷了三個(gè)關(guān)鍵階段，打破了熱木星是“獨(dú)行俠”的偏見。

▲WASP-47系統(tǒng)中行星的形成過程示意圖

一是共振捕獲。在行星形成早期，年輕行星們還在“嬰兒床 ”（原行星盤）里時(shí)，會(huì)被氣體盤推著移動(dòng)，在移動(dòng)過程中，他們最終被鎖定在運(yùn)動(dòng)共振中。WASP-47系統(tǒng)中的三顆行星就被俘獲在4:2:1共振中。

二是行星軌道偏心率的激發(fā)。由于外側(cè)熱木星的強(qiáng)大引力攝動(dòng)，以及平運(yùn)動(dòng)共振的影響，內(nèi)側(cè)行星的軌道變成偏心率為0.5的橢圓。這一階段是系統(tǒng)演化的重要步驟，偏心率激發(fā)決定了內(nèi)側(cè)行星的軌道在受到潮汐作用后的進(jìn)一步演化。

三是恒星的潮汐效應(yīng)。在這一階段，行星“跑”到距離恒星10天的軌道周期時(shí)，恒星發(fā)揮潮汐作用，將內(nèi)側(cè)行星的橢圓軌道逐漸變圓，同時(shí)驅(qū)使行星向內(nèi)遷移，最終形成超短周期行星。

通過以上三個(gè)階段不難看出，成為超短周期行星是由多個(gè)因素決定的。

▲超短周期行星形成的動(dòng)力學(xué)過程

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重構(gòu)演化過程

研究團(tuán)隊(duì)通過數(shù)值模擬，驗(yàn)證還原了WASP-47系統(tǒng)中行星的演化過程。

模擬結(jié)果顯示，行星軌道和實(shí)際觀測(cè)誤差小于4%，同時(shí)結(jié)果還預(yù)測(cè)該類系外行星系統(tǒng)構(gòu)型的形成概率較低（約為8.4±2.4%），但確有可能。并且，像地球這樣的“巖石行星”如果處于熱木星旁，則更容易演化成超短周期行星（軌道短于1天）。

▲WASP-47系統(tǒng)行星的演化過程

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熱木星也想“交朋友”

此前科學(xué)家們認(rèn)定熱木星都是“暴脾氣”，靠向內(nèi)遷移清空內(nèi)側(cè)物質(zhì)“擠”到恒星附近。研究團(tuán)隊(duì)成果挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的熱木星高偏心率遷移理論。

新研究結(jié)果揭示，部分熱木星可能經(jīng)歷更加平和的軌道遷移過程，與溫木星（軌道周期10天—200天）的形成過程更相似。

同時(shí)該研究顯示，熱木星并不一定是孤獨(dú)的，它們的周圍可能潛藏著更多尚未發(fā)現(xiàn)的行星，天文觀測(cè)或有更多突破。

研究團(tuán)隊(duì)還將熱木星與溫木星的演化建立了關(guān)聯(lián)，對(duì)類似于WASP-47系統(tǒng)的出現(xiàn)率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為未來發(fā)現(xiàn)類似系統(tǒng)提供了新的理論依據(jù)。

來源：中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)

責(zé)任編輯：曹旸