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紫金山天文台揭示Kepler一类近共振系统的形成机制
2014年11月1日，The Astrophysical Journal（《天体物理杂志》）在线发表了中科院紫金山天文台季江徽课题组对美国Kepler空间望远镜所发现的行星系统中近共振构型形成机制的研 究,该项研究对于揭示一类特殊的系外行星系统形成之谜提供了重要的理论依据。
Kepler空间望远镜于2009年3月由美国国家航空航天局（NASA）发射，其核心科学目标是利用高精度光度测量法来探测银河系中环绕着其他恒星的 类地行星。截止到2014年7月，Kepler已发现超过2804个行星系统中的4230个系外凌星候选体。统计表明，在这些行星系统中相邻行星的公转轨 道周期比在1.5和2.0附近处比例可分别达到10.5%和20.5%，远远高于其他轨道周期比所占比例。这说明Kepler所发现的大量的行星系统中存 在所谓的近共振构型(如3:2与2:1共振)。其实在我们太阳系中，这种行星公转轨道周期比接近简单整数比的情况也很常见，例如木星每围绕太阳运转约5 圈，土星则围绕太阳运转约2圈，其公转周期比约为2:5；木星的三颗伽利略卫星的公转周期之比也非常接近1:2:4，它们形成了复杂的Laplace共 振。那么这样的近共振的行星系统是如何形成的？在行星系统形成演化过程中又有哪些物理因素起到了至关重要的作用？
紫台研究人员提出了这一类特殊行星系统的形成机制：首先，行星形成于距其中心恒星较远的区域，但行星与气体盘的相互作用直接导致行星在演化中各自经历不 同类型的向内轨道迁移（即轨道半长轴逐渐减小）。进而，这些行星在迁移过程中被锁定在平运动共振区域，即从内向外每两颗行星的公转周期分别接近于简单整数 比。由于气体盘消失等因素阻止了行星的进一步迁移运动，从而使它们停留在中心恒星的周遭。伴随着恒星的长期潮汐作用，行星的公转轨道逐渐变得越来越圆，并 最终形成目前的近共振构型。研究人员统计分析后发现数值模拟结果与Kepler数据（图1）在1.5与2.0峰值处吻合较好。研究还表明恒星磁场对最终构 型的影响较小；高恒星吸积率易形成2:1共振而低恒星吸积率则对形成3:2共振有利；第一类轨道迁移速率的大小亦对共振构型的形成有影响。因此，研究工作 揭示了Kepler所发现的众多近3:2与2:1共振行星系统的形成机制，对其他低质量短周期系外行星共振构型的形成亦有重要启示。
该工作的第一作者是紫金山天文台王素博士。该项研究工作得到了中国科学院行星科学重点实验室、中国科学院天文战略性先导科技专项（B类）、中国科学院新兴与交叉学科布局项目、国家自然科学基金等项目资助。
Kepler空间望远镜于2009年3月由美国国家航空航天局（NASA）发射，其核心科学目标是利用高精度光度测量法来探测银河系中环绕着其他恒星的 类地行星。截止到2014年7月，Kepler已发现超过2804个行星系统中的4230个系外凌星候选体。统计表明，在这些行星系统中相邻行星的公转轨 道周期比在1.5和2.0附近处比例可分别达到10.5%和20.5%，远远高于其他轨道周期比所占比例。这说明Kepler所发现的大量的行星系统中存 在所谓的近共振构型(如3:2与2:1共振)。其实在我们太阳系中，这种行星公转轨道周期比接近简单整数比的情况也很常见，例如木星每围绕太阳运转约5 圈，土星则围绕太阳运转约2圈，其公转周期比约为2:5；木星的三颗伽利略卫星的公转周期之比也非常接近1:2:4，它们形成了复杂的Laplace共 振。那么这样的近共振的行星系统是如何形成的？在行星系统形成演化过程中又有哪些物理因素起到了至关重要的作用？
紫台研究人员提出了这一类特殊行星系统的形成机制：首先，行星形成于距其中心恒星较远的区域，但行星与气体盘的相互作用直接导致行星在演化中各自经历不 同类型的向内轨道迁移（即轨道半长轴逐渐减小）。进而，这些行星在迁移过程中被锁定在平运动共振区域，即从内向外每两颗行星的公转周期分别接近于简单整数 比。由于气体盘消失等因素阻止了行星的进一步迁移运动，从而使它们停留在中心恒星的周遭。伴随着恒星的长期潮汐作用，行星的公转轨道逐渐变得越来越圆，并 最终形成目前的近共振构型。研究人员统计分析后发现数值模拟结果与Kepler数据（图1）在1.5与2.0峰值处吻合较好。研究还表明恒星磁场对最终构 型的影响较小；高恒星吸积率易形成2:1共振而低恒星吸积率则对形成3:2共振有利；第一类轨道迁移速率的大小亦对共振构型的形成有影响。因此，研究工作 揭示了Kepler所发现的众多近3:2与2:1共振行星系统的形成机制，对其他低质量短周期系外行星共振构型的形成亦有重要启示。
该工作的第一作者是紫金山天文台王素博士。该项研究工作得到了中国科学院行星科学重点实验室、中国科学院天文战略性先导科技专项（B类）、中国科学院新兴与交叉学科布局项目、国家自然科学基金等项目资助。
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