“独行侠”不独行，新理论揭示行星“共生”之谜 | 科技前线

传统行星形成理论认为，热木星周围不会有其他行星存在。然而，2015年发现的紧凑多行星系统WASP-47对传统行星形成理论提出了挑战。

日前，中国科学院紫金山天文台（以下简称紫金山天文台）领衔的研究团队基于WASP-47系统的独特构型，提出了一种新的形成机制，并揭示该特殊构型的行星系统形成的关键驱动要素。

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紧凑多行星系统WASP-47

宇宙中存在着一类“脾气火爆”的气态巨行星——热木星。它由于“气性”太大，导致运行周期极短，不到10天便可绕其恒星一周。

而且，由于热木星是从行星系统的外侧逐渐向内迁移而来，并在绕转的过程中，将内侧的物质清空，因此，热木星在行星系统中通常是孤独存在的，在其周围不会有其他行星存在。

然而2015年，天文学家发现了紧凑多行星系统WASP-47，这是首个被发现的同时拥有一颗热木星、一颗超短周期行星（轨道周期小于1天的行星），以及一颗外侧低质量行星的紧凑多行星系统。

这一发现意味着热木星的形成可能并不像此前科学家认为的那样孤独，而是经历了更加复杂的动力学演化过程。

紫金山天文台领衔的研究团队，提出了一种全新的行星系统形成机制，显示WASP-47系统的演化经历了三个关键阶段，打破了热木星是“独行侠”的偏见。

▲WASP-47系统中行星的形成过程示意图

一是共振捕获。在行星形成早期，年轻行星们还在“婴儿床 ”（原行星盘）里时，会被气体盘推着移动，在移动过程中，他们最终被锁定在运动共振中。WASP-47系统中的三颗行星就被俘获在4:2:1共振中。

二是行星轨道偏心率的激发。由于外侧热木星的强大引力摄动，以及平运动共振的影响，内侧行星的轨道变成偏心率为0.5的椭圆。这一阶段是系统演化的重要步骤，偏心率激发决定了内侧行星的轨道在受到潮汐作用后的进一步演化。

三是恒星的潮汐效应。在这一阶段，行星“跑”到距离恒星10天的轨道周期时，恒星发挥潮汐作用，将内侧行星的椭圆轨道逐渐变圆，同时驱使行星向内迁移，最终形成超短周期行星。

通过以上三个阶段不难看出，成为超短周期行星是由多个因素决定的。

▲超短周期行星形成的动力学过程

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重构演化过程

研究团队通过数值模拟，验证还原了WASP-47系统中行星的演化过程。

模拟结果显示，行星轨道和实际观测误差小于4%，同时结果还预测该类系外行星系统构型的形成概率较低（约为8.4±2.4%），但确有可能。并且，像地球这样的“岩石行星”如果处于热木星旁，则更容易演化成超短周期行星（轨道短于1天）。

▲WASP-47系统行星的演化过程

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热木星也想“交朋友”

此前科学家们认定热木星都是“暴脾气”，靠向内迁移清空内侧物质“挤”到恒星附近。研究团队成果挑战了传统的热木星高偏心率迁移理论。

新研究结果揭示，部分热木星可能经历更加平和的轨道迁移过程，与温木星（轨道周期10天—200天）的形成过程更相似。

同时该研究显示，热木星并不一定是孤独的，它们的周围可能潜藏着更多尚未发现的行星，天文观测或有更多突破。

研究团队还将热木星与温木星的演化建立了关联，对类似于WASP-47系统的出现率进行了预测，为未来发现类似系统提供了新的理论依据。

来源：中国科学院紫金山天文台

责任编辑：曹旸