傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)的緊湊多行星系統(tǒng)WASP-47對傳統(tǒng)行星形成理論提出了挑戰(zhàn)。

日前，中國科學(xué)院紫金山天文臺（以下簡稱紫金山天文臺）領(lǐng)銜的研究團隊基于WASP-47系統(tǒng)的獨特構(gòu)型，提出了一種新的形成機制，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)中通常是孤獨存在的，在其周圍不會有其他行星存在。

然而2015年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了緊湊多行星系統(tǒng)WASP-47，這是首個被發(fā)現(xiàn)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(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)家認為的那樣孤獨，而是經(jīng)歷了更加復(fù)雜的動力學(xué)演化過程。

紫金山天文臺領(lǐng)銜的研究團隊，提出了一種全新的行星系統(tǒng)形成機制，顯示W(wǎng)ASP-47系統(tǒng)的演化經(jīng)歷了三個關(guān)鍵階段，打破了熱木星是“獨行俠”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，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(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)熱木星的強大引力攝動，以及平運動共振的影響，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，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(xué)過程

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重構(gòu)演化過程

研究團隊通過數(shù)值模擬，驗證還原了WASP-47系統(tǒng)中行星的演化過程。

模擬結(jié)果顯示，行星軌道和實際觀測誤差小于4%，同時結(jié)果還預(yù)測該類系外行星系統(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。研究團隊成果挑戰(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(fā)現(xiàn)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(guān)聯(lián)，對類似于WASP-47系統(tǒng)的出現(xiàn)率進行了預(yù)測，為未來發(fā)現(xiàn)類似系統(tǒng)提供了新的理論依據(jù)。

來源：中國科學(xué)院紫金山天文臺

責(zé)任編輯：曹旸