傳統行星形成理論認為，熱木星周圍不會有其他行星存在。然而，2015年發現的緊湊多行星系統WASP-47對傳統行星形成理論提出了挑戰。

日前，中國科學院紫金山天文臺（以下簡稱紫金山天文臺）領銜的研究團隊基于WASP-47系統的獨特構型，提出了一種新的形成機制，并揭示該特殊構型的行星系統形成的關鍵驅動要素。

01

緊湊多行星系統WASP-47

宇宙中存在著一類“脾氣火爆”的氣態巨行星——熱木星。它由于“氣性”太大，導致運行周期極短，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的外側逐漸向內遷移而來，并在繞轉的過程中，將內側的物質清空，因此，熱木星在行星系統中通常是孤獨存在的，在其周圍不會有其他行星存在。

然而2015年，天文學家發現了緊湊多行星系統WASP-47，這是首個被發現的同時擁有一顆熱木星、一顆超短周期行星（軌道周期小于1天的行星），以及一顆外側低質量行星的緊湊多行星系統。

這一發現意味著熱木星的形成可能并不像此前科學家認為的那樣孤獨，而是經歷了更加復雜的動力學演化過程。

紫金山天文臺領銜的研究團隊，提出了一種全新的行星系統形成機制，顯示WASP-47系統的演化經歷了三個關鍵階段，打破了熱木星是“獨行俠”的偏見。

▲WASP-47系統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，會被氣體盤推著移動，在移動過程中，他們最終被鎖定在運動共振中。WASP-47系統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。由于外側熱木星的強大引力攝動，以及平運動共振的影響，內側行星的軌道變成偏心率為0.5的橢圓。這一階段是系統演化的重要步驟，偏心率激發決定了內側行星的軌道在受到潮汐作用后的進一步演化。

三是恒星的潮汐效應。在這一階段，行星“跑”到距離恒星10天的軌道周期時，恒星發揮潮汐作用，將內側行星的橢圓軌道逐漸變圓，同時驅使行星向內遷移，最終形成超短周期行星。

通過以上三個階段不難看出，成為超短周期行星是由多個因素決定的。

▲超短周期行星形成的動力學過程

02

重構演化過程

研究團隊通過數值模擬，驗證還原了WASP-47系統中行星的演化過程。

模擬結果顯示，行星軌道和實際觀測誤差小于4%，同時結果還預測該類系外行星系統構型的形成概率較低（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系統行星的演化過程

03

熱木星也想“交朋友”

此前科學家們認定熱木星都是“暴脾氣”，靠向內遷移清空內側物質“擠”到恒星附近。研究團隊成果挑戰了傳統的熱木星高偏心率遷移理論。

新研究結果揭示，部分熱木星可能經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。

同時該研究顯示，熱木星并不一定是孤獨的，它們的周圍可能潛藏著更多尚未發現的行星，天文觀測或有更多突破。

研究團隊還將熱木星與溫木星的演化建立了關聯，對類似于WASP-47系統的出現率進行了預測，為未來發現類似系統提供了新的理論依據。

來源：中國科學院紫金山天文臺

責任編輯：曹旸