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我院在太阳系外行星研究中取得重要进展

发布时间:2016-09-27 16:46来源:未知
  近日,南京大学天文与空间科学学院的谢基伟副教授和北京大学科维理天体物理研究所东苏勃研究员等合作利用我国的郭守敬望远镜(LAMOST)观测数据分析研究了太阳系外行星(简称:系外行星)的轨道特征,解开了人们长久以来对系外行星轨道形状(术语:轨道扁率或偏心率)的疑惑。该项研究成果已经发表在国际顶级期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,简称PNAS)。
  文章链接为“http://www.pnas.org/content/early/2016/09/21/1604692113.abstract”。文章doi为 “10.1073/pnas.1604692113”。
  截至现在,发现并确认的系外行星已超过3500颗(http://exoplanet.eu)。特别是最近几年美国NASA的Kepler计划将系外行星的研究推向了一个前所未有的高潮(如图1所示)。然而,对于绝大多数Kepler发现的系外行星,我们对它们的了解还非常少,其中一个很基本的物理性质就是系外行星的轨道形状即:轨道扁率或偏心率。偏心率描述行星绕转恒星椭圆轨道的形状,其取值在0到1之间。偏心率越大,轨道形状越加偏离圆形。95%以上的Kepler行星,它们的轨道偏心率还是个迷?轨道偏心率对了解行星系统的形成至关重要。我们知道太阳系的八大行星的偏心率非常小,轨道大都成共面的近圆形(平均轨道倾角只有3度左右,平均轨道偏心率只有0.06)。正是在这样观测事实的启发和支持下,几百年前康德和拉普拉斯,提出了行星系统形成的“星云说”,并逐步发展成现在行星形成的“标准模型”。


图1: 从1989至2016年,不同观测方法每年发现系外行星的个数。凌星法就是通过捕捉行星在视线方向上穿越恒星表面引起的恒星可视光度变话化来探测系外行星。凌星法的杰出代表是Kepler计划。Kepler 目前发现了2327颗系外行星,约占所有已知系外行星总数的三分之二。


 图2: LAMOST (左:位于河北兴隆的LAMOST) 携手Kepler(右:空间想象示意图)解开系外行星轨道之谜。
 
  但是,最初发现的几百颗系外行星(如图1所示,主要通过视向速度方法发现),它们大多数的轨道都是偏心率很大的椭圆(平均偏心率达到0.3),与太阳系的行星风格迥异,极大挑战了当前“标准模型”,形成了一直以来困扰天文研究者的“系外行星轨道偏心率之谜”。
  我国的郭守敬望远镜(即大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,简称LAMOST)采用独特的创新设计,能在大视场中同时观测数千天体光谱,是世界上光谱获取能力最高的望远镜,现已得到超过400万个天体的光谱。自从2011年以来,LAMOST在开普勒天区得到数万条光谱,其中包括数百个行星的宿主恒星。结合LAMOST的光谱数据和Kepler卫星捕捉到的凌星光变曲线,谢基伟和东苏勃等人统计分析了这些行星的轨道偏心率和倾角分布。他们发现大约80%的行星轨道都如太阳系的行星,轨道为近圆形(平均偏心率小于0.1),只有20%左右的行星偏心率较大(平均值大于0.3),成典型的椭圆。他们的研究还揭示了一个普遍规律:即天体的平均轨道偏心率约等于1到2倍的平均轨道倾角。如图3所示,太阳系8大行星(蓝色),柯伊伯带天体(即TNO:红色和浅蓝色),小行星带天体(绿色),各大行星的卫星(左下:黄色,黑色,黄绿色)以及Kepler发现的多凌星系统(紫色)都很好的符合这个普遍规律。因此,我们可以看到系外行星轨道偏心率的谜底是:近圆轨道在行星中其实是最普遍的,系外行星轨道和太阳系天体的轨道遵循共同的规律,太阳系行星与系外行星相比并不那么特殊。谜底的解开对进一步理解行星形成演化有重要意义。近圆轨道的普遍性暗示行星形成的主旋律是“温和”的,而由行星间散射及外部恒星摄动等引起的剧烈行星轨道演化应该是“少数派”。此外,这个谜底也告诉我们,从轨道形状角度看,太阳系在宇宙中是具有代表性的。这种代表性某种程度上也增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心。
 
图3: 开普勒卫星观测到的多凌星系统与太阳系各类天体的轨道偏心率和倾角符合一个e=(1~2)*i的普遍规律。
 

    注:该工作受到国家天文台LAMOST工作组的大力支持,并得到国家科技部973项目、中科院先导科技专项(B类)、国家自然科学基金、LAMOST杰出学者、以及全国优秀博士论文专项基金等的资助。