奇妙的行星動(dòng)物園

依薷書(shū)坊 2021-03-14

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很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人們理所當(dāng)然地認(rèn)為所有的行星系統(tǒng)都應(yīng)該與太陽(yáng)系類似。直到1995年，第一顆主序恒星周圍的系外行星——飛馬座 51b（51 Pegasi b）——被發(fā)現(xiàn)，人們對(duì)行星系統(tǒng)的認(rèn)知也隨之被打破。

飛馬座 51b簡(jiǎn)直是一個(gè)怪胎：它擁有近似木星的質(zhì)量和大約兩倍于木星的體積，卻運(yùn)行在距離中心恒星平均只有0.05天文單位（1天文單位約為1.5億公里）的軌道上，比水星與太陽(yáng)之間的平均距離（約0.4天文單位）還要小得多。它繞恒星公轉(zhuǎn)一圈僅需要4天多一點(diǎn)，活脫脫一個(gè)敏捷胖子的喜感形象。

隨著KEPLER、TESS等空間探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更多千奇百怪的系外行星系統(tǒng)，如同進(jìn)入了行星動(dòng)物園一般。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)4000顆系外行星，其中包含了七百多個(gè)多行星系統(tǒng)，這些多行星系統(tǒng)無(wú)一與太陽(yáng)系構(gòu)型相同。

系外行星的質(zhì)量和軌道分布^[3]

天體華爾茲——近共振構(gòu)型

〇行星華爾茲的舞步

共振現(xiàn)象從物理上可以簡(jiǎn)單地理解為當(dāng)物體的固有頻率和外來(lái)驅(qū)動(dòng)頻率接近時(shí)，震動(dòng)幅度發(fā)生較大變化的現(xiàn)象。它在聲學(xué)中表現(xiàn)為“共鳴”，在電學(xué)中表現(xiàn)為“諧振”，而在行星系統(tǒng)構(gòu)型中則表現(xiàn)為受引力影響引起的“軌道共振”，表現(xiàn)為兩個(gè)天體在同一系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的軌道周期成簡(jiǎn)單整數(shù)比。

這種構(gòu)型在太陽(yáng)系中比比皆是，比如小行星帶中柯克伍德空隙（Kirkwood Gaps）的位置大部分是與木星發(fā)生平運(yùn)動(dòng)共振的位置；木星的三顆伽利略衛(wèi)星（木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三）在繞木星的運(yùn)動(dòng)中處于1:2:4共振中；冥王星跟海王星的公轉(zhuǎn)周期比是3:2；等等。

類似的構(gòu)型同樣存在于系外行星系統(tǒng)中。從同一系統(tǒng)中相鄰兩顆行星的軌道周期比統(tǒng)計(jì)分布來(lái)看，大量的系外行星之間處于3:2和2:1等共振附近，我們稱之為近共振構(gòu)型。比如，Kepler-79(KOI-152)系統(tǒng)的三顆行星就構(gòu)成了近似1:2:4共振構(gòu)型。

KEPLER系外行星候選體周期比分布^[6]（a）所有候選體;（b）三行星系統(tǒng)候選體

〇行星如何更換舞步節(jié)拍

根據(jù)經(jīng)典的行星形成理論，行星由形成于原行星盤(pán)中的星子結(jié)合而成，其初始軌道并不穩(wěn)定，隨之在原行星盤(pán)中向內(nèi)遷移，兩兩之間被共振俘獲的概率非常高，從而進(jìn)入精準(zhǔn)共振構(gòu)型（即軌道周期比為精確的簡(jiǎn)單整數(shù)比），并逐漸形成穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，我們觀測(cè)到的卻大多是近共振構(gòu)型，雖然與精準(zhǔn)共振構(gòu)型間的偏差并不大，但這其中卻可能暗藏著關(guān)于行星系統(tǒng)演化的核心機(jī)密，目前已知的可能包括：

恒星對(duì)非?？拷膬?nèi)部行星的潮汐作用可以將其公轉(zhuǎn)軌道變圓并拉離共振；
距離中心天體較遠(yuǎn)的行星系統(tǒng)中，軌道精準(zhǔn)共振后的行星將會(huì)攜手同步遷移，其軌道受原行星盤(pán)中殘存的氣體的壓制而會(huì)變圓從而離開(kāi)共振；
具有偏心率的外部氣態(tài)巨行星的存在將會(huì)迫使內(nèi)部的類地行星之間進(jìn)入近高階共振。

孤僻的孩子——極短周期行星系統(tǒng)

在迄今發(fā)現(xiàn)的系外行星中，有一類非常特別，其軌道周期小于一天，被稱為極短周期行星。這類行星有時(shí)又被稱為熱地球（hot Earth），因?yàn)樗鼈兙嚯x中心恒星太近了?？梢韵胂?，其表面必將是一派熔巖肆虐的景象。

軌道周期小于一天的極短周期行星系統(tǒng)分布^[8]

從擁有極短周期行星的多行星系統(tǒng)的構(gòu)型分布來(lái)看，極短周期行星與系統(tǒng)中其他行星之間存在一定的距離。系統(tǒng)中其他行星往往處于一個(gè)較為緊致的構(gòu)型中，而極短周期行星像是一個(gè)性格孤僻的孩子，緊緊地依偎在恒星母親身旁。

和母親靠得太近，就免不了受她的強(qiáng)烈的影響，如恒星的潮汐作用、恒星的輻射導(dǎo)致的大氣消散等；和兄弟姐妹距離雖遠(yuǎn)，但畢竟是手足情深，相互影響一定少不了，尤其是那些木星質(zhì)量大小的氣態(tài)巨行星的影響。這些相互作用都值得深入研究。

一條藤上的葫蘆娃——緊致多行星系統(tǒng)

隨著系外行星發(fā)現(xiàn)數(shù)目的增加，多行星系統(tǒng)的數(shù)目也在不斷增加。目前已經(jīng)確認(rèn)的系統(tǒng)中至少包含了6個(gè)六行星系統(tǒng)、1個(gè)七行星系統(tǒng)和1個(gè)八行星系統(tǒng)。

不同于太陽(yáng)系的八顆行星散落在幾十個(gè)天文單位的范圍內(nèi)，而在水星內(nèi)部空無(wú)一物的情況，這些系外行星中的多行星系統(tǒng)構(gòu)型較為緊致。這可能是由于所采用的凌星法更易于發(fā)現(xiàn)軌道周期在幾十天內(nèi)的行星。比如：

〇 Kepler-11，2010年發(fā)現(xiàn)，六行星系統(tǒng)。內(nèi)部5顆行星的質(zhì)量都在10倍地球質(zhì)量以下，軌道周期在10天到50天之間。最外邊一顆行星的質(zhì)量約為幾十倍地球質(zhì)量，軌道周期為120天。這個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于太陽(yáng)系的水星軌道內(nèi)還運(yùn)行了五顆比地球還大的行星。

〇 TRAPPIST-1，2017年發(fā)現(xiàn)，七行星系統(tǒng)。其中最內(nèi)部行星的軌道周期為1.5天，最外部行星的軌道周期也只有大約20天。七顆行星的質(zhì)量都在地球質(zhì)量量級(jí)，個(gè)頭相對(duì)均勻，就像一條藤上的七個(gè)葫蘆娃一樣。

TRAPPIST-1系統(tǒng)與太陽(yáng)系比較 | 圖源：NASA

如此緊致的構(gòu)型是如何能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行的呢？穩(wěn)定的范圍又有多大呢？在什么樣的條件下系統(tǒng)會(huì)瓦解呢？這些問(wèn)題將引導(dǎo)我們一步步揭開(kāi)緊致構(gòu)型的真相。

人類如此幸運(yùn)

隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)，人類逐漸意識(shí)到太陽(yáng)系的構(gòu)型居然是如此的與眾不同，又與其它構(gòu)型存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

在行星動(dòng)物園里出現(xiàn)了構(gòu)型各異的家族：有的靠大哥掌控全局；有的靠大家自覺(jué)按照規(guī)定的秩序排排坐；有的有戀家的孩子緊緊地依靠著母親，其它的孩子則抱團(tuán)在外打拼；有的則兄弟姐妹緊緊地靠在一起相互慰藉取暖。

充分了解各類構(gòu)型的行星系統(tǒng)的異同之處將是我們深入認(rèn)識(shí)太陽(yáng)系形成與演化的關(guān)鍵一步。

參考文獻(xiàn)：

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6. Wang, S. & Ji, J. H., 2014, ApJ, 795, 85

7. Wang, S. et al. 2021, AJ, 161, 77

8. Winn, J. N., Sanchis-Ojeda, R., & Rappaport, S., 2018, NAR, 83, 37

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