近期，《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)研究成果，該項(xiàng)工作基于行星形成的模擬研究，揭示了紅矮星周圍的宜居行星在原行星盤中的形成機(jī)制。

探索地球以外的宜居行星(即地球2.0)是天文學(xué)的基礎(chǔ)研究前沿，相關(guān)研究將回答“地球是否唯一”以及“行星如何成為生命搖籃”等重大科學(xué)問題。目前Kepler和TESS等空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了3300多顆系外行星，但探測(cè)到紅矮星周圍的宜居類地行星僅為38顆。紅矮星周圍類地行星的樣本統(tǒng)計(jì)分析表明，大部分行星非常接近其母星距離為0.01-0.2 AU(AU為計(jì)量天體之間距離的天文單位)，這意味著由多顆類地行星組成的行星系統(tǒng)軌道分布十分緊致。那么紅矮星周圍的類地行星究竟是怎樣形成的?每個(gè)紅矮星系統(tǒng)平均擁有多少顆宜居行星?近鄰類太陽(yáng)型恒星附近是否存在像地球一樣的宜居行星?

通常有兩種理論來(lái)解釋類地行星的形成：一種理論認(rèn)為目前觀測(cè)到的類地行星基本上在當(dāng)?shù)厣桑滠壍琅c初始軌道幾乎相同，即為所謂的原位形成機(jī)制。還有一種理論認(rèn)為，這些行星最初并不是在當(dāng)前觀測(cè)的軌道位置，而是由于行星在形成過(guò)程中與原行星盤發(fā)生角動(dòng)量交換，從而引起行星發(fā)生向內(nèi)遷移或向外遷移(反向遷移)的過(guò)程，即為軌道遷移機(jī)制。因此基于不同的原行星盤模型及行星形成的理論，可深入探究紅矮星附近類地行星的形成演化歷史。

研究人員基于行星形成的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在原位形成機(jī)制中行星僅能吸積附近幾個(gè)希爾半徑內(nèi)原行星盤的物質(zhì)，但由于缺乏含水物質(zhì)的傳輸，因此導(dǎo)致形成的行星一般不具有宜居性。不同的是，遷移機(jī)制下的原行星，在其遷移中可吸積較多星子而生長(zhǎng)成質(zhì)量更大的類地行星。在向內(nèi)遷移模型中，最終觀察到所形成的超短周期類地行星分布在距離紅矮星0.01-0.03 AU內(nèi)。而反向遷移機(jī)制中則考慮了原行星盤不同的加熱機(jī)制，在盤內(nèi)側(cè)行星遷移方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)而向外側(cè)遷移，最終在黏性加熱與輻射加熱的過(guò)渡區(qū)域附近停止遷移，該機(jī)制可解釋紅矮星周圍類地行星的軌道分布特征，研究發(fā)現(xiàn)在宜居區(qū)內(nèi)形成的行星大多含有約10%的水，因此這些行星很可能具有宜居性。

科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了紅矮星系統(tǒng)中類地行星的生成率，例如原位形成模型中可平均生成7.77個(gè)質(zhì)量約為1.23 M⊕(M⊕為地球質(zhì)量)的行星;而向內(nèi)遷移與反向遷移機(jī)制可分別平均產(chǎn)生2.55個(gè)質(zhì)量約為3.76M⊕和2.85個(gè)質(zhì)量約為3.01M⊕的類地行星。研究人員從行星質(zhì)量、軌道半長(zhǎng)徑和偏心率分布等方面將模擬結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)樣本進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)反向遷移機(jī)制形成的行星分布與觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的吻合度，揭示了紅矮星周圍宜居類地行星可能的形成機(jī)制。

為深入研究類太陽(yáng)型恒星和紅矮星周圍的宜居行星，紫金山天文臺(tái)提出了“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”(Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES)，即采用空間高精度天體測(cè)量法來(lái)發(fā)現(xiàn)首顆近鄰類太陽(yáng)型恒星周圍具有地球質(zhì)量的宜居帶類地行星。因此，本項(xiàng)工作為探索紅矮星宜居行星形成演化提供了新思路，亦為“近鄰宜居行星巡天計(jì)劃”尋找地球2.0提供了理論依據(jù)。

研究工作獲得中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。(科技日?qǐng)?bào)記者 馬愛平)

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關(guān)鍵詞： 地球是否唯一 紅矮星周圍 宜居行星 類地行星