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科研人员利用LAMOST数据理解类太阳系的行星系统普遍性
发表日期: 2018-09-03
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  2009Kepler太空望远镜升空以来,人类已经发现了数千颗系外行星。令人意外的是,绝大多数的这些系外行星与太阳系已知行星很不一样。这些系外行星大小介于地球和海王星之间,轨道周期一般在100天以内,而这些被称为超级地球的行星并不存在于我们太阳系。相比较而言,太阳系的八大行星要么太小,要么离主星太远。那么,太阳系难道是行星系统里的一个另类? 

  近几年来的多项研究似乎验证了这个假设,天文学家发现超过一半的类太阳恒星周围都存在至少一个超级地球。这就意味着,类似太阳系一样的行星系统属于少数群体。然而,这些研究中都有一个假设:它们假定多行星系统里面的行星的轨道都是共面的。对太阳系和Kepler观测到的多个紧密系统(至少5个行星的系统)的分析表明,这一假设似乎是成立的。但是,Kepler发现的绝大多数行星并不存在于紧密系统之中,所以轨道共面的假设并不一定成立。 

  近日,由加拿大理论天体物理研究所祝伟博士领导的科研团队利用国家天文台郭守敬望远镜(LAMOST)的观测数据研究了这一问题。他们发现,当系统内部行星数量较少时,轨道共面的假设确实是不成立的。以此为基础,研究团队重新估计了拥有超级地球的恒星比例,发现类似太阳系一样的不含超级地球的系统其实是占绝大多数的。相关研究论文于近期发表于《天体物理学报》(ApJ)。研究团队还包括加拿大多伦多大学的Cristobal Petrovich博士、武延庆教授,北京大学东苏勃研究员,以及南京大学谢基伟副教授。    

  LAMOST作为目前世界上光谱获取能力最高的望远镜,至2017年底已经完成了对近6万颗位于开普勒天区的恒星光谱观测,得到了精确的恒星参数。研究团队从这些数据里提取出3万颗类太阳的恒星,其中的589颗周围拥有共827颗掩食行星。研究团队按照掩食行星数量的不同对这些系统进行了划分,形成了如下图中蓝色所示的柱状图。研究团队还利用了一种叫做掩食时变transit timing variation)的效应。按照开普勒第三定律,行星围绕主星的运动存在一个固定周期,从而不同的掩食事件之间的时间间隔应该是轨道周期的整数倍。但当系统内存在多个行星时,其他行星的引力效应可以扰动发生掩食的行星轨道,导致不同掩食事件之间的时差偏离轨道周期的整数倍。利用这一效应,人们可以知道同一系统内部是否还存在其他的行星,尤其是与掩食行星轨道不共面的行星。研究团队找出了所有存在掩食时变效应的行星,然后同样按照系统里面掩食行星数量的不同进行了划分,形成如图中橙色所示的柱状图。研究团队发现,在假定所有的多行星系统都是共面的情况下得到的理论曲线无法解释这些数据。为了更好地解释这些观测数据,研究团队发现越少行星的系统必须越(也就是说,里面的各个行星轨道越不共面),而越多行星的系统必须越(里面的行星轨道越趋于共面)。这一发现和之前谢基伟等人利用LAMOST数据发现的Kepler系统离心率的规律也是相符的。 

    

  左图:LAMOST已经观测的827个系外行星的大小和轨道周期分布图。图中不同的形状代表同一个行星系统内部的掩食行星(tranet)的数量。三条曲线分布代表Kepler望远镜的90%50%10%的探测效率,虚线代表Kepler能看到的最远的轨道周期(400天)。太阳系的三个行星(水星、金星、地球)的位置也在图中标出。右图:根据系统内部的掩食行星的数量以及有无掩食时变效应而生成的柱状图,以及基于不同的模型重建的理论曲线。其中,α=0代表的是多行星系统内各行星轨道共面的情形。该模型无法正确解释两个柱状图,因此可以被排除。 

    

  既然多行星系统轨道共面的假设不再成立,之前人们基于此的统计结果也就被推翻。基于新的多行星系统的轨道分布规律,研究团队发现只有30%的类太阳恒星周围存在超级地球。也就是说,像太阳系一样不存在超级地球的恒星其实是占大多数的。更有趣的,研究团队还发现,平均每个Kepler探测到的行星系统在略大于一个地球年(400天)的范围以内拥有三个超级地球,而我们太阳系正好也拥有水星、金星和地球三个个头相对较小的行星。目前还无法知晓这是一种巧合还是另有深意。     

  除少数特殊系统之外,绝大多数的系外行星系统也如太阳系一样拥有多个行星。因此,对多行星系统的内部结构的正确认识将对研究行星的形成和演化提供重要线索。以Kepler太空望远镜为代表,人类对系外行星的探索还在如火如荼地进行中,而像LAMOST一样的大型天文望远镜在此类研究中也将继续发挥重要作用。     

  论文链接:http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aac6d5 

    (信息来源:LAMOST网站)

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