我國天文專家揭示短周期類地行星的形成機制與軌道特徵

日前， 我國天文學家發表了中科院紫金山天文台研究員季江徽等研究人員關於短周期類地行星的形成機制與軌道特徵的研究成果，該項研究對揭示行星系統的形成演化具有重要意義。

目前系外行星已發現了超過3500顆。美國國家航空航天局Kepler計劃基於凌星法發現了大量的短周期系外類地行星。2015年11月10日，該計劃科學團隊發布了4696顆行星侯選體，其中1030顆被證認為行星。觀測數據表明短周期類地行星在系外行星系統中較常見，然而這與太陽系的類地行星觀測事實迥然不同，那麼這些短周期類地行星究竟是如何形成的？它們具有哪些特徵？

短周期類地行星的形成可能有以下機制：一種可能是它們在本地形成，這就要求在其形成之初原行星盤具有較大質量，方可為生成多個類地行星提供足夠的「原材料」；另一種可能是行星胚胎在行星盤中經歷向內軌道遷移而形成，尤其是行星胚胎的第一類軌道遷移和氣態巨行星第二類軌道遷移過程的影響，行星胚胎遷移將促使系統內部物質的累積從而增大形成類地行星的概率。而氣態巨行星的遷移過程則會激發其軌道以內星子與行星胚胎的軌道偏心率，從而增大它們之間的碰撞幾率，因此可形成更大質量的短周期超級地球。

在被證認的行星系統中發現了許多行星的軌道公轉周期接近簡單整數比，如三顆行星公轉周期之比接近於4:2:1。在太陽系中，木星的三顆伽利略衛星的軌道周期也呈現這樣的規律，即構成所謂的拉普拉斯共振。但是在系外行星的群體中，這類行星的近共振構型是如何形成的，在行星系統中是否普遍存在？

在該項工作中，中科院紫金山天文台研究員季江徽等課題組人員基於行星盤的模型並針對不同天體的運動特點，開展了大量的數值模擬研究,討論了氣態巨行星（如木星質量或土星質量的行星）的軌道遷移、巨行星的數目多少、只存在類地行星等不同情形,探討了短周期類地行星的可能形成機制和軌道分布特徵。研究表明，在氣態巨行星的遷移作用影響下，所研究的行星系統中均可生成短周期類地行星，且有兩組演化結果出現了類地行星與兩顆氣態巨行星之間形成了近4:2:1共振（如圖1所示），這從而可以解釋Kepler-238與Kepler-302這兩個行星系統構型的形成。研究人員還針對只存在類地行星的情形進行了數值模擬，通過35組模擬發現，大約有17%的算例在第一類軌道遷移作用下系統中也可形成近4:2:1共振構型。這些研究進而可解釋其他類似行星系統形成與演化規律。這項研究不僅有助於人們深入理解短周期類地行星的形成機制和軌道特徵，對於認識我們太陽系的起源演化也有重要科學意義。

圖1 存在兩顆氣態巨行星的行星系統演化，質量為木星質量和土星質量的氣態巨行星了經歷第二類軌道遷移，系統中最終形成了一顆5.05地球質量的短周期類地行星。這三顆行星形成了近4：2：1共振構型。