紫金山天文台揭示红矮星周围类地行星的逆向自转机制

近期，中国科学院紫金山天文台季江徽课题组与合作者的研究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，该项研究为了解类地行星演化及宜居性提供了新的理论依据。相关结果已在《天体物理学报》（The Astrophysics Journal）上发表。

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理解太阳系演化历史提供了关键线索，同时有助于深入了解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，那么它们是否也会发生逆向自转？行星自转轴翻转的演化机制又是如何？ 　　

在本项工作中，研究人员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。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，发现在系统总角动量守恒的前提下，行星自转轴倾角θp会有两种演化情形。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1 a-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1 e-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。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）。 　　

研究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，有望更深入地探索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。 　　

本项研究选取的GJ 86也是“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，详细普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息。 　　

该项研究成果的第一作者为紫金山天文台博士研究生黄秀敏，合作者为中山大学刘尚飞、加拿大维多利亚大学董若冰等。该工作获得中国科学院B类先导专项和国家自然科学基金重点项目等资助。

文章链接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/acf46e

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