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中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，揭示了熱木星周圍的超短周期行星伴星的形成機(jī)制，并利用該模型探討WASP-47系統(tǒng)中行星的形成演化歷史，發(fā)現(xiàn)巨行星擾動(dòng)、軌道共振俘獲與恒星潮汐效應(yīng)的協(xié)同作用是這一特殊構(gòu)型形成的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)要素。

WASP-47系統(tǒng)是同時(shí)擁有熱木星、內(nèi)側(cè)超短周期行星及外側(cè)低質(zhì)量行星的行星系統(tǒng)。傳統(tǒng)的行星形成理論認(rèn)為，熱木星通常通過(guò)高偏心率遷移機(jī)制形成，同時(shí)這一劇烈過(guò)程會(huì)清除內(nèi)側(cè)物質(zhì)，因此熱木星在行星系統(tǒng)中通常是獨(dú)立存在的。然而，WASP-47系統(tǒng)的緊湊多行星結(jié)構(gòu)對(duì)這一形成理論提出了挑戰(zhàn)。

基于WASP-47系統(tǒng)的構(gòu)型特征，該研究提出了全新的形成機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中行星經(jīng)歷三個(gè)動(dòng)力學(xué)演化階段。一是平均運(yùn)動(dòng)共振捕獲。行星在原行星盤中經(jīng)歷軌道遷移時(shí)被鎖定在平運(yùn)動(dòng)共振中，WASP-47系統(tǒng)中3顆行星被俘獲在4:2:1共振中。二是行星偏心率的激發(fā)。平運(yùn)動(dòng)共振的俘獲與外側(cè)熱木星的引力攝動(dòng)同時(shí)激發(fā)內(nèi)側(cè)行星偏心率至約0.5。三是恒星潮汐效應(yīng)。由于行星遷移到距離中心天體小于10天的軌道周期處，恒星的潮汐作用非常重要，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)行星的軌道被圓化同時(shí)驅(qū)動(dòng)軌道內(nèi)遷，形成超短周期行星。

研究發(fā)現(xiàn)，在形成過(guò)程中，熱木星的引力攝動(dòng)和共振俘獲對(duì)偏心率的激發(fā)與恒星潮汐對(duì)偏心率的抑制之間的博弈，導(dǎo)致最內(nèi)側(cè)行星的偏心率經(jīng)歷多次激發(fā)和被抑制的過(guò)程，最內(nèi)側(cè)行星的軌道則發(fā)生大幅內(nèi)遷，從而形成目前觀測(cè)到的超短周期行星?；谶@一模型，研究通過(guò)數(shù)值模擬還原了WASP-47系統(tǒng)中行星的演化過(guò)程，獲得的系統(tǒng)構(gòu)型與觀測(cè)結(jié)果之間的差異小于4%，并預(yù)測(cè)該類構(gòu)型的形成概率約為8.4%±2.4%。內(nèi)側(cè)行星能否形成超短周期行星取決于其潮汐耗散因子。該因子處于[1,10]范圍內(nèi)時(shí)，形成超短周期行星的概率更高，說(shuō)明該類超短周期行星與地球的結(jié)構(gòu)和組成接近。

上述研究揭示了熱木星周圍超短周期行星的形成機(jī)制，表明部分熱木星可通過(guò)更加平和的軌道遷移形成，且與溫木星的形成過(guò)程更相似而非傳統(tǒng)認(rèn)為的劇烈過(guò)程。這為探討熱木星與溫木星的演化關(guān)聯(lián)提供了線索，預(yù)測(cè)了類似于WASP-47系統(tǒng)的出現(xiàn)率，為未來(lái)觀測(cè)提供了理論依據(jù)。

近日。相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》（The Astrophysical Journal Letters）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。

論文鏈接

WASP-47系統(tǒng)中行星的形成過(guò)程示意圖