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紫金山天文台等揭示红矮星周围类地行星的逆向自转机制

2023-11-01 11:45:57浏览:442来源:紫金山天文台   

近期,中国科学院紫金山天文台季江徽课题组与合作者,揭示了围绕红矮星运行的类地行星逆向自转成因,评估了密近双星系统中类地行星自转轴翻转概率。该研究为探讨类地行星演化及宜居性提供了新的理论依据。相关研究成果发表在《天体物理学报》(The Astrophysics Journal)上。

行星自转轴倾角θp是指行星赤道面与公转轨道面的夹角。在太阳系中,天王星的自转轴几乎躺在轨道平面上,倾角约为98°,而金星则是逆向自转,其自转轴倾角为177°。这些行星的高自转轴倾角为探索太阳系演化历史提供了关键线索,并有助于探究行星物理特性与气候长期演变。类似地,可推测已发现的5500余颗系外行星亦可呈现复杂多样的自转状态。那么,它们是否会发生逆向自转?行星自转轴翻转的演化机制又是如何?

本研究基于长期摄动与潮汐演化综合模型,利用数值模拟来研究系外行星自转轴倾角的长期演化。该工作针对红矮星周围的类地行星,在广泛的参数空间中研究了Eccentric Kozai - Lidov(EKL)长期共振与平衡潮模型之间的耦合效应,发现了在系统总角动量守恒的前提下,行星自转轴倾角θp存在两种演化情形。第一种情况: 潮汐时标与长期共振时标比值rt<100时,θp最大值随rt增大而增大,但不超过90°(图1a-d)。第二种情况:当rt>100时,θp会经历超过90°的翻转,随后进入在40°和60°之间振荡的准平衡态(图1e-h)。

研究表明,在双星摄动作用下,红矮星周围的类地行星发生自转轴翻转概率普遍较大,且行星自转轴倾角随轨道半长径比值的增大而增大。研究针对伴星轨道半长径小于45 au的密近双星系统,通过在轨道半长径的参数空间模拟发现:行星质量越大,其自转轴发生翻转的概率越大,且发生逆向自转的概率可达72%(图2)。

科研人员将理论模型应用于三颗双星系统中的行星——HD 42936 b、GJ 86 Ab和τ Boot Ab,探索其自转轴倾角演化规律。HD 42936的两颗恒星距离最近,仅有1.2 au,目前发现一颗行星HD 42936 b。当行星初始轨道倾角满足40°< ip < 140°时 , HD 42936 b将在长期共振作用下与主星碰撞或被伴星散射出系统,而在其余条件下的行星自转倾角最高被激发至80°,因此该行星不会经历逆向自转。热木星GJ 86 Ab则会经历第二种演化情况,即自转轴发生翻转并维持“头朝下”状态运行。将来通过高精度的光谱测量可获得系外行星的自转倾角,同时结合上述理论与数值研究,有望更深入地研究类地行星的逆向自转机理,进而揭示系外行星形成与演化的丰富物理图景。

本研究选取的GJ 86是“近邻宜居行星巡天计划”(Closeby Habitable Exoplanet Survey,CHES)候选观测目标之一。“近邻宜居行星巡天计划”拟采用空间微角秒级别的高精度相对天体测量方法,观测太阳系近邻(10 pc内)100颗类日恒星,探测宜居带类地行星,普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息。

研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项(B类)和国家自然科学基金重点项目等的支持。该研究由紫金山天文台、中山大学、加拿大维多利亚大学合作完成。

论文链接

图1. 类地行星自转轴倾角演化

图2. 地球质量的类地行星的自转轴翻转概率

(责任编辑:CHINALASER)
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