研究揭示開普勒環雙星系統中行星的軌道形成機制

　　10月31日，國際天文學術期刊The Astronomical Journal在線發表了中國科學院紫金山天文臺季江徽課題組對美國開普勒（Kepler）空間望遠鏡所發現的環雙星系統中的行星（Circumbinary Planets，簡稱CBP）軌道構型研究結果。該項工作揭示了CBP軌道的可能形成機制，深化了人們對特殊恒星環境下行星形成的新認識。

　　Kepler空間望遠鏡于2009年3月由美國國家航空航天局（NASA）發射，其科學目標是利用高精度光度測量法來探測銀河系中環繞著其他恒星的類地行星。截止到2017年4月，Kepler已發現超過3483個行星系統中的4496個系外凌星候選體。而在其中，Kepler的一個重大發現是在主序雙星周圍發現了環雙星的行星。最出名的環雙星行星或許是科幻電影《星球大戰》中的“塔圖因”星，它繞著一個雙恒星系統運轉，如果我們在這顆行星上凝視太空，能同時看到兩個落日的壯麗景象。目前已發現的CBP有11顆，分別在9個主序雙星系統附近運動。

　　這些行星的發現引起了科學家的廣泛興趣：在雙星這樣的特殊環境下它們如何形成？為什么這些天體會聚集在雙星的不穩定邊界附近？雙星周邊的宜居區又是怎樣？這些科學問題無疑對現有的建立在太陽系這種單恒星系統上的傳統行星形成理論提出了挑戰。行星的核吸積形成理論指出，在離雙星較近處，雙星較強的引力擾動會加劇星子之間的相對碰撞速度，因而不利于星子進一步吸積生長為行星。通常認為CBP是在距離雙星較遠的地方形成，然后通過軌道遷移到當前的位置；但是已有的模擬結果表明，CBP一般會停止在目前觀測位置的外側，而無法抵達當前的軌道。

　　在這項研究中，紫金山天文臺科研人員提出了一種新的機制，即目前觀測到的CBP軌道構型由雙星系統中行星與行星間的散射機制所致。對多顆CBP在盤中遷移的模擬工作顯示，這些天體首先會進入軌道共振構型，而隨著盤中氣體的消散，它們之間會發生散射。研究發現，行星的質量比和初始的相對位置是決定行星軌道空間分布的兩個重要因素，行星與行星間的散射機制很好地解釋了目前Kepler所觀測到的CBP軌道構型，例如Kepler-34b的形成過程。

　　該工作的第一作者是紫金山天文臺博士后宮衍香，合作導師為季江徽。

　　該項研究工作得到了中科院行星科學重點實驗室、中科院天文戰略性先導科技專項（B類）、中科院新興與交叉學科布局項目、國家自然科學基金等的資助。

圖1. 藝術家創作的環雙星系統中的行星圖

圖2. Kepler-34b首先和一顆0.2個木星質量的行星進入3:2軌道共振構型。在行星之間以及行星和內部雙星Kepler-34（AB）之間的共同作用下，小質量行星被散射出系統，Kepler-34b達到目前觀測的軌道構型。紅虛線為Keple-34（AB）周圍的不穩定邊界，黑虛線為目前的觀測位置。