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紫金山天文臺揭示紅矮星周圍類地行星的逆向自轉機制

  近期,中國科學院紫金山天文臺季江徽課題組與合作者的研究揭示了圍繞紅矮星運行的類地行星逆向自轉成因,評估了密近雙星系統中類地行星自轉軸翻轉概率,該項研究為了解類地行星演化及宜居性提供了新的理論依據。相關結果已在《天體物理學雜志》(The Astrophysical Journal)上發表。

  行星自轉軸傾角 p是指行星赤道面與公轉軌道面的夾角。在太陽系中,天王星的自轉軸幾乎躺在軌道平面上,傾角約為98 ,而金星則是逆向自轉,其自轉軸傾角為177 。這些行星的高自轉軸傾角為理解太陽系演化歷史提供了關鍵線索,同時有助于深入了解行星物理特性與氣候長期演變。類似地,可推測已發現的5500余顆系外行星亦可呈現復雜多樣的自轉狀態,那么它們是否也會發生逆向自轉?行星自轉軸翻轉的演化機制又是如何?

  在本項工作中,研究人員基于長期攝動與潮汐演化綜合模型,利用數值模擬來研究系外行星自轉軸傾角的長期演化。針對紅矮星周圍的類地行星,在廣泛的參數空間中研究了Eccentric Kozai - Lidov(EKL)長期共振與平衡潮模型之間的耦合效應,發現在系統總角動量守恒的前提下,行星自轉軸傾角 p會有兩種演化情形。第一種情況: 潮汐時標與長期共振時標比值rt<100時, p最大值隨rt增大而增大,但不超過90 (圖1 a-d)。第二種情況:當rt>100時, p會經歷超過90 的翻轉,隨后進入在40 和60 之間振蕩的準平衡態(圖1 e-h)。


圖1 類地行星自轉軸傾角演化


圖2 地球質量的類地行星的自轉軸翻轉概率

  研究表明,在雙星攝動作用下,紅矮星周圍的類地行星發生自轉軸翻轉概率普遍較大,且行星自轉軸傾角隨軌道半長徑比值的增大而增大。針對伴星軌道半長徑小于45 au的密近雙星系統,通過在軌道半長徑的參數空間模擬發現:行星質量越大,其自轉軸發生翻轉的概率越大,且發生逆向自轉的概率可達72%(圖2)。

  研究人員將理論模型應用于三顆雙星系統中的行星- HD 42936 b, GJ 86 Ab 和 Boot Ab,探索其自轉軸傾角演化規律。HD 42936的兩顆恒星距離最近,僅有1.2 au,目前發現一顆行星HD 42936 b。當行星初始軌道傾角滿足40 < ip < 140 時 , HD 42936 b 將在長期共振作用下與主星碰撞或被伴星散射出系統,而在其余條件下的行星自轉傾角最高被激發至80 ,因此該行星不會經歷逆向自轉。熱木星GJ 86 Ab則會經歷第二種演化情況,即自轉軸發生翻轉并維持“頭朝下”狀態運行。將來通過高精度的光譜測量可獲得系外行星的自轉傾角,同時結合上述理論與數值研究,有望更深入地探索類地行星的逆向自轉機理,進而揭示系外行星形成與演化的豐富物理圖景。

  本項研究選取的GJ 86也是“近鄰宜居行星巡天計劃”(Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES)候選觀測目標之一。近鄰宜居行星巡天計劃擬采用空間微角秒級別的高精度相對天體測量方法,觀測太陽系近鄰(10 pc內)100顆類日恒星,探測宜居帶類地行星,詳細普查宜居行星的數目、真實質量和三維軌道等信息。

   該項研究成果的第一作者為紫金山天文臺博士研究生黃秀敏,合作者為中山大學劉尚飛、加拿大維多利亞大學董若冰等。該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。

  文章鏈接:https://doi.org/10.3847/1538-4357/acf46e

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