紅矮星周圍宜居行星 原行星遷移中或可生長(zhǎng)稱更大質(zhì)量類地行星

近日，《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》發(fā)表了一項(xiàng)中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的研究成果，該項(xiàng)工作基于行星形成的模擬研究，揭示了紅矮星周圍宜居行星在原行星盤中的形成機(jī)制。

探索地球以外的宜居行星是天文學(xué)的基礎(chǔ)研究前沿，相關(guān)研究成果將回答“地球是否唯一”以及“行星如何成為生命搖籃”等重大科學(xué)問題。目前“開普勒”和“苔絲”等空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了3300多顆系外行星，但其中紅矮星周圍的宜居類地行星僅有38顆。紅矮星周圍類地行星的樣本統(tǒng)計(jì)分析表明，大部分行星非常接近其母星，距離為0.01—0.2AU(AU為天文單位，1AU約為1.496億千米)，這意味著由多顆類地行星組成的行星系統(tǒng)軌道分布十分緊湊。

紅矮星周圍的類地行星究竟是怎樣形成的?每個(gè)紅矮星系統(tǒng)平均擁有多少顆宜居行星?近鄰類太陽(yáng)型恒星附近是否存在像地球一樣的宜居行星?

通常，科學(xué)家通過兩種理論來解釋類地行星的形成：一種理論認(rèn)為目前觀測(cè)到的類地行星基本上在“當(dāng)?shù)?rdquo;生成——其當(dāng)前軌道與初始軌道幾乎相同，即原位形成機(jī)制。還有一種理論認(rèn)為，這些行星最初并不在當(dāng)前觀測(cè)的軌道位置，在行星形成過程中與原行星盤發(fā)生角動(dòng)量交換，從而引起行星向內(nèi)遷移或向外遷移(反向遷移)，最終抵達(dá)當(dāng)前軌道，即軌道遷移機(jī)制。因此基于不同的原行星盤模型及行星形成理論，科學(xué)家可深入探究紅矮星附近類地行星的形成演化歷史。

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(jī)制中行星僅能吸積附近幾個(gè)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(dǎo)致形成的行星一般不具有宜居性。不同的是，軌道遷移機(jī)制下的原行星，在其遷移過程中可吸積較多星子而生長(zhǎng)成質(zhì)量更大的類地行星。

在向內(nèi)遷移的模型中，研究人員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—0.03AU內(nèi);而反向遷移機(jī)制模型中，則考慮了原行星盤不同的加熱機(jī)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(不相接觸的物體通過熱輻射交換能量，使熱物體對(duì)冷物體加熱的過程)的過渡區(qū)域附近停止遷移，反向遷移機(jī)制可解釋紅矮星周圍類地行星的軌道分布特征。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(gè)質(zhì)量約為1.23M⊕(M⊕為地球質(zhì)量)的行星;而向內(nèi)遷移與反向遷移機(jī)制可分別平均產(chǎn)生2.55個(gè)質(zhì)量約為3.76M⊕和2.85個(gè)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(zhǎng)徑和偏心率分布等方面將模擬結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)樣本進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)反向遷移機(jī)制形成的行星分布與觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的吻合度，這就揭示了紅矮星周圍宜居類地行星可能的形成機(jī)制。

為深入研究類太陽(yáng)型恒星和紅矮星周圍的宜居行星，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)提出了“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”，即采用空間高精度天體測(cè)量法來尋找首顆近鄰類太陽(yáng)型恒星周圍具有地球質(zhì)量的宜居帶類地行星。而本項(xiàng)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(jì)劃”尋找類地行星提供了理論依據(jù)。