天体运动的轨道偏心率研究概述——从恒星系统到行星系统

偏心率是描述天体运动轨道的重要参数之一,能够为揭示天体的动力学演化提供重要线索,进而帮助理解天体形成与演化的过程及背后的物理机制.随着天文观测技术的不断发展,人们对于天体运动轨道的研究已经走出太阳系,包含的系统也从大质量端的恒星系统延伸到了低质量端的行星系统.聚焦天体轨道偏心率研究,回顾了目前在恒星系统(包括主序恒星、褐矮星以及致密星)和行星系统(包括太阳系外巨行星以及"超级地球"、"亚海王星"等小质量系外行星)方面取得的进展,总结了不同尺度结构下偏心率研究的一些共同之处和待解决的问题.并结合当下和未来的相关天文观测设备和项目,对未来天体轨道偏心率方面的研究工作进行了展望.

太阳系外行星系统的形成及未来探测计划

太阳系外行星的探测与研究是目前国际上的前沿热门领域。近年来,随着一些关键探测技术的突破,以及空间望远镜的使用,相继发现了900多颗太阳系外行星。这些太阳系外行星系统的发现,对现有的行星形成和演化模型提出了新的挑战。首先介绍了两种目前比较公认的行星形成机制,并提出了系外行星探测的一些热点问题,指出未来太阳系外行星系统的探测计划重要目标之一是发现宜居行星。最后,简单介绍了将要实施或正在实施的一些国际国内太阳系外行星的探测计划。

HD 12661行星系统构形的形成与稳定性

最近的多普勒观测表明恒星HD 12661周围存在两颗中等偏心率轨道上运行的行星,内行星的最小质量为2．3木星质量,轨道周期为263．6天;外行星的最小质量为1．57木星质量,轨道周期为1444．5天．该系统的稳定性要求两颗行星处在平运动轨道共振．用数值方法研究了该系统形成初期在恒星气体盘作用下的轨道迁移与稳定性,计算了行星在迁移中被平运动共振俘获的概率．发现这两颗行星目前很可能正处在11:2平运动共振边缘,且运动是混沌的,从而澄清了关于系统目前构形的不同说法,并且很可能在系统形成后行星迁移到目前构形时,气体盘几乎消失了．

HD 82943行星系统的2:1共振与稳定性

用直接数值积分方法通过模拟不同的行星构型探讨了HD82943行星系统(由两颗共振的巨行星组成)的长期动力演化,同时,还研究了在相空间的轨道运动.在对系统长达107年数值积分中,发现所有的稳定轨道均与2:1共振相关联.典型地,在相同的时标内,两个共振幅角θ1和θ2同时(或其中之一)存在秤动.由于共振幅角在一定范围内的秤动,因而使两颗行星轨道半长径被约束而表现为规则运动模式.另外,利用分析模型(包含了外行星偏心率e2的因素),还讨论了对于不同取值的e2和相对近星点经度θ时,内行星在相空间的运动,并发现2:1轨道共振对于相对较小的e2以及当θ=0°时易于保持.此外,适中的e2将导致系统的两颗行星进入深度共振状态.再者,分析模型和数值计算的结果吻合得很好,两者都揭示了行星系统的2:1共振结构.

GJ876行星系统中潜在类地行星研究

用数值积分方法模拟探讨了GJ876行星系统中存在潜在类地行星的可能性．结果表明分别产生于内外两颗巨行星的长期共振v1和v2可激发类地行星（其轨道半长轴分布在0．21AU≤α〈0．50AU之间）的偏心率，并使它们在极短时间内被抛射出系统．然而，从动力学角度而言，类地行星潜在存在区域可分布在0．50AU≤α≤1．00AU之间，其能在系统中10^5年时间尺度上稳定地存在．

有行星系统恒星的金属丰度研究

计算了 7颗类太阳恒星 (带有类似太阳的行星系统 )的大气参数和多种金属元素的丰度 ,所有样本星的金属丰度平均值为 0 .10 1,其中HD982 30的值为 - 0 .2 71,相对其余 6颗星的值小很多 (其余 6颗星的平均值为 0 .184 ) ,比银盘附近类太阳星的平均值 ([Fe/H]≈ - 0 .3)相对较高 .

低质量Kepler行星的潮汐演化研究

Kepler空间计划发现了大量半径小于4 R_⊕(R_⊕为地球半径)的近轨道行星,成为Kepler探测的特色之一,它们对当前的行星形成模型提出了新的挑战.行星与其中心恒星之间的潮汐效应对重塑这类行星的轨道构型具有重要影响.基于各种初始的轨道分布数值模拟了近轨道、低质量行星的潮汐演化,定性地给出了行星最后的轨道分布特征,轨道半长轴和峰值均随着初始的半长轴和偏心率增大而变大.对于初始的平均半长轴在0.1au以内,平均偏心率大于0.25时,数值模拟结果与观测比较接近.潮汐耗散系数、恒星和行星的质量等相关参数对潮汐演化后的半长轴分布影响都比较小.基于数值模拟结果,尝试了揭示低质量行星的形成机制:它们很可能形成于原行星盘的较远处,具有中等的轨道偏心率,后来在原行星盘中经历了Ⅰ类迁移到达目前的轨道,但是这不能排除行星的当地形成机制.

天体物理学讲座 第三讲 恒星形成:从星际分子云到原始行星系统

对行星系统起源问题的研究在近年来已经取得很大进展 .一方面是星际分子云与恒星形成的天文研究取得了令人瞩目的成就 .研究表明 ,包括太阳在内的恒星是由冷暗的星际分子云收缩形成的 .在形成恒星的过程中 ,普遍伴随出现围绕恒星的盘状的原始行星系统 .在这种原始行星系统中间 ,尘埃颗粒逐渐生长 ,并凝聚成行星、彗星等 .从分子云到原始行星系统大约经历百万年 .而木星这样的大行星有可能在恒星收缩阶段同时形成 ,并且在行星系统的发展过程中逐渐发展 .行星系统起源的另一方面进展来自包括彗星、太阳系行星际探测 ,从而对太阳系这样的行星系统的组成和性质、对行星大气等有了更精确的了解 ,以此为参考 ,能够测定那些远离太阳系的其他新近发现的行星系统的物理化学性质 ,从而提供了一系列互相联系和对比的样本 .通过上述进展 。

小行星主带上单个行星的质量上限

介绍了N体模拟的Hermite算法,并利用该算法研究了不同质量行星在小行星主带上轨道的演化情况．采用的演化模型是太阳系N体模型(N=7),即把水星、金星、地球的质量加到太阳上,忽略冥王星,同时在小行星主带附近增加一个假想行星,系统演化时间为1亿年．数值模拟显示能够稳定存在于小行星主带上的单个天体的质量上限其量级为10^(25)kg．模拟同时还显示在某些情况下,假想行星与木星之间的低阶共振可以增强系统的稳定性．

两个可能具有2:1平运动共振结构系统的稳定性研究

通过分析现有视向速度资料提供的轨道拟合解,发现HD 155358和24 Sextanis两系统都有可能处于2:1平运动共振状态.主要讨论了两系统共振结构的动力学稳定性问题,计算了两系统最优拟合值1σ置信区间内大量样本的混沌指标?emax.结果表明:HD155358系统长期稳定,不依赖于平运动共振的保护.但是,24 Sextanis系统如果要维持长期稳定,2:1平运动共振保护是必要条件.

行星创世记

行星的诞生故事看似是一步步朝各阶段前进的稳定过程，但实际上却混乱无比。

台湾天文学及天体物理学研究现状(下)

位于智利阿塔卡玛沙漠中的阿塔卡玛大型毫米波及次毫米波阵列（ALMA），是目前世界上最大的地面射电天文望远镜兴建计划，由66座小型望远镜组成一个毫米波及次毫米波段的干涉仪，可视为次毫米波阵列的扩大版，是研究早期宇宙遗留辐射、恒星形成与演化、行星系统、星系甚至生命起源的利器。

天文学家发现已知最古老的行星

7月10日,美国航空航天局的科学家向世界宣布,他们发现了已知最古老的行星。天文学家借助哈勃太空望远镜发现。

揭示大质量恒星团中高阶多星系统的起源

大质量恒星在整个宇宙演化历史长河中起着重要的作用.它们贡献了整个宇宙环境中的绝大部分重元素和紫外辐射.大质量恒星可具有上百万倍的太阳光度,使得它们即使是在遥远的星系也依然可见.大质量恒星在形成和演化的过程中还通过高速星风、大质量外向流、膨胀的HII区和超新星爆发等方式与其周围的星际介质发生相互作用,进而影响星系的轮廓、恒星及其行星系统的形成和演化.

短周期行星轨道偏心率的维持:应用于GJ 436行星系统

GJ 436b是围绕主序恒星GJ 436运行的,目前观测到的该系统唯一一颗行星.该行星质量为23.2个地球质量,轨道周期为2.64天,轨道偏心率为0.16.参照气态巨行星的典型潮汐耗散因子,GJ 436b轨道的圆化时标在1Ga(10亿年)左右,仅仅只有其主星年龄(>3Ga)的三分之一或者更少,所以正常情况下它不可能保持在椭圆轨道上.通常认为该行星偏心率是被一颗尚未观测到的行星(称第二行星)通过相互摄动所激发并长时间维持的.本文从动力学角度研究了这种可能性,考虑了第二行星几种可能的位置,包括邻近或远处非共振轨道,以及与GJ 436b处于平运动共振的轨道.我们发现,目前观测到的GJ 436b的高偏心率不可能由第二行星通过长期摄动或平运动轨道共振来维持.事实上,我们所研究的各种情况中,GJ 436b的偏心率都会无一例外地在其主星演化年龄内衰减下来,行星轨道也会慢慢向里迁移.需要注意的是,这些结论并没有排除存在第二行星的可能性,只是它们不可能是维持GJ 436b高偏心率的原因.

行星形成的新故事

借助新的技术手段,天文学家得以造访行星诞生的尘埃之地,亲眼目睹更为丰富的行星形成图景。关于行星系统是如何形成的,以及形成过程与我们现在的太阳系有什么样的联系,是天体物理学中最为基础的问题之一,也是破解我们在宇宙中的地位之谜的关键环。近年来得益于开普勒望远镜等系外行星项目的成功,我们有时已经对无处不在的行星系统感到习以为常了,然而就在几十年前,我们甚至还不知道太阳系以外是否存在其他行星。

众眼看宇宙

Arp 87影像中,一道由恒星、云气和尘埃所构成的绵延7500光年的宇宙桥将位于影像右侧的正面螺旋星系NGC3808A和影像左侧的侧面星系NGC3808B连接在一起。这两个庞大的恒星系统曾经近距离地通过对方附近,彼此间的引力作用引发了剧烈的潮汐。NGC3808A经历了爆发性的恒星形成活动,并产生了许多泛蓝的年轻星团。

星系(含银河系)中的恒星形成

宇宙中各尺度的恒星形成,不论是位于宇宙边缘的第1代恒星还是在我们银河系“家园”里的恒星,都是贯穿于宇宙起源和天体演化的核心科学问题。可以说,恒星是宇宙中的“原子”,有关恒星是怎样形成的这一问题则是当代天体物理学研究的枢纽:恒星形成不但决定星系的结构和演化,而且人类赖以生存的行星系统的起源也与之紧密相关。另外,宇宙中的大部分元素(包括人类世界的构成)也都源自恒星。因此,围绕着恒星形成和起源的研究,是天文学也是现代科学中最重要和最基本的课题之一.