紫金山天文臺揭示比鄰星系統動力學演化和穩定性特征

　　10月9日，Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (《英國皇家天文學會月刊》)在線發表了中國科學院紫金山天文臺季江徽課題組的關于比鄰星系統動力學演化和穩定性特征的研究成果，這些研究對深入了解行星系統的宜居區及形成演化具有重要科學意義。

　　北京時間2019年10月8日17時50分，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2019年度諾貝爾物理學獎授予美國普林斯頓大學教授詹姆斯·皮布斯(James Peebles)，以表彰他“在物理宇宙學的理論發現”，以及瑞士日內瓦大學教授米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和日內瓦大學與劍橋大學教授迪迪爾·奎洛茲(Didier Queloz)，以表彰他們“發現了一顆圍繞太陽型恒星運行的系外行星”。

　　自1995年米歇爾·麥耶和迪迪爾·奎洛茲發現第一顆類太陽恒星周圍的系外行星——51 Pegasi b以來，天文學家正在以難以置信的速度發現愈來愈多的系外行星，迄今通過包括視向速度法和凌星法在內的探測手段已發現了4118顆系外行星。天文學家預測表明，僅僅在浩瀚的銀河系里，有可能存在100億顆類似地球尺寸大小的行星，和地球一樣處于其中央恒星的宜居帶內。正如英國科幻小說家Arthur C. Clarke 的預測：“在茫茫的宇宙中，只有兩個可能，要么我們是上帝的孤兒，要么我們還有其他兄弟姐妹……”我們正處在人類歷史上最特殊的一段時期內。在不久的將來，我們或許會探測到宇宙中類似地球的行星上存在其他生命。

　　比鄰星（Proxima Centauri，α Centauri C）距離地球1.295 pc，與α Centauri AB雙星組成三合星系統（《三體》科幻小說正以此為背景）。AB雙星距離地球1.34 pc（圖1），其軌道半長徑為17.57 AU，雙星軌道周期為79.205 yr。α Centauri A為1.1太陽質量的G2V型恒星，α Centauri B為0.907太陽質量的K1V型恒星，而Proxima Centauri則為0.123太陽質量的M5.5V型的紅矮星。它是目前人們發現的離太陽系最近的一顆恒星。2016年8月，Anglada-Escudé等人在Nature上發表了在比鄰星附近發現一顆行星Proxima b的成果。他們通過HARPS和UVES光譜儀的視向速度觀測，發現了一顆最小質量為1.3個地球質量的行星，并以周期11.2 天圍繞比鄰星運行，軌道半長軸為0.0485 AU，可能位于宜居區。觀測還給出，在系統內可能存在另一個軌道周期為200多天的行星Proxima c。因此，該行星系統倍受國際上天文研究機構關注，這些行星是否宜居及系統穩定性特征如何已成為當前系外行星研究的前沿課題。

　　紫金山天文臺研究團隊分別采用數值模擬和理論分析方法，對該系統存在兩顆行星的情況開展了深入的動力學演化和穩定性特征研究。考慮相對論效應和潮汐效應的情況，動力學演化結果表明：在一百萬年左右的時間尺度上，Proxima b的軌道偏心率演化受到潮汐的影響很小，而相對論效應對兩顆行星的影響比較明顯。不考慮相對論效應和潮汐效應的情況，利用MEGNO積分器對系統穩定性的研究，描繪出了該系統穩定區域的整體圖像（圖2），揭示了兩顆行星在共面和非共面時保持系統動力學穩定的行星參數限制。對于共面情況，內、外兩顆行星的偏心率上限分別為0.4和0.65，此時Proxima b的半長軸范圍為0.02 -0.1 au；對于非共面情況，兩顆行星的軌道傾角低于50度。這些研究結果不僅有助于開展該系統的長期動力學形成演化及其形成機制研究，而且為后續系外行星的觀測提供重要的理論參考。

　　該工作的第一作者是紫金山天文臺碩士蒙通，導師為研究員季江徽。該項研究工作得到國家自然科學基金（11773081，11573073，11873097）、中科院創新交叉團隊、中科院行星科學重點實驗室等的資助。

圖1 α Centauri 三合星系統示意圖

圖2 Proxima系統兩顆行星共面情況的系統穩定區域圖