截至现在,发现并确认的系外行星已超过3500颗(

 

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图2: LAMOST (左:位于河北兴隆的LAMOST)
携手Kepler(右:空间想象示意图)解开系外行星轨道之谜。

近期,由北京大学科维理天文与天体物理研究所东苏勃研究员和南京大学天文与空间科学学院谢基伟副教授共同领导的研究团队,利用中国科学院国家天文台位于河北省兴隆观测站的郭守敬望远镜(即大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,简称LAMOST)的数据,揭示了太阳系外行星轨道形状分布的规律。该项研究成果发表在《美国国家科学院院刊》
(PNAS)上。

我国的郭守敬望远镜(即大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜,简称LAMOST)采用独特的创新设计,能在大视场中同时观测数千天体光谱,是世界上光谱获取能力最高的望远镜,现已得到超过400万个天体的光谱。自从2011年以来,LAMOST在开普勒天区得到数万条光谱,其中包括数百个行星的宿主恒星。结合LAMOST的光谱数据和Kepler卫星捕捉到的凌星光变曲线,谢基伟和东苏勃等人统计分析了这些行星的轨道偏心率和倾角分布。他们发现大约80%的行星轨道都如太阳系的行星,轨道为近圆形(平均偏心率小于0.1),只有20%左右的行星偏心率较大,成典型的椭圆。他们的研究还揭示了一个普遍规律:即天体的平均轨道偏心率约等于1到2倍的平均轨道倾角。如图3所示,太阳系8大行星,柯伊伯带天体(即TNO:红色和浅蓝色),小行星带天体,各大行星的卫星(左下:黄色,黑色,黄绿色)以及Kepler发现的多凌星系统都很好的符合这个普遍规律。因此,我们可以看到系外行星轨道偏心率的谜底是:近圆轨道在行星中其实是最普遍的,系外行星轨道和太阳系天体的轨道遵循共同的规律,太阳系行星与系外行星相比并不那么特殊。谜底的解开对进一步理解行星形成演化有重要意义。近圆轨道的普遍性暗示行星形成的主旋律是“温和”的,而由行星间散射及外部恒星摄动等引起的剧烈行星轨道演化应该是“少数派”。此外,这个谜底也告诉我们,从轨道形状角度看,太阳系在宇宙中是具有代表性的。这种代表性某种程度上也增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心。

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图3:
开普勒卫星观测到的多凌星系统与太阳系各类天体的轨道偏心率和倾角符合一个e=*i的普遍规律。

太阳系外行星轨道偏心率之谜的谜底是:近圆轨道在行星系统中并不特殊,太阳系外行星轨道的形状分布与太阳系内天体遵循共同的规律,因而太阳系行星系统的轨道形状分布及其形成、演化过程在银河系中很可能是相当普遍的。

图1:
从1989至2016年,不同观测方法每年发现系外行星的个数。凌星法就是通过捕捉行星在视线方向上穿越恒星表面引起的恒星可视光度变化来探测系外行星。凌星法的杰出代表是Kepler计划。Kepler
目前发现了2327颗系外行星,约占所有已知系外行星总数的三分之二。

1995年,天文学家利用测量恒星视向速度的方法在类太阳恒星飞马座51周围发现了一颗行星,拉开了太阳系外行星研究的序幕。到21世纪初,视向速度法已发现了上百颗行星,它们大多是比地球重数百倍的类木星行星。这些类木星行星的轨道形状分布出乎人们的意料--它们大多数运行在有较高偏心率的椭圆轨道上,平均偏心率达到0.3。这给行星形成的“标准模型”带来了挑战,成为一个长期以来困扰天文学家的谜题--太阳系行星的近圆、共面轨道在银河系中是特殊的还是普遍的?

近日,南京大学天文与空间科学学院的谢基伟副教授和北京大学科维理天体物理研究所东苏勃研究员等合作利用我国的郭守敬望远镜观测数据分析研究了太阳系外行星的轨道特征,解开了人们长久以来对系外行星轨道形状(术语:轨道扁率或偏心率)的疑惑。相关成果Exoplanet
orbital eccentricities derived from LAMOST–Kepler
analysis发表在国际顶级期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of the
National Academy of Sciences,
PNAS)。文章链接为,
doi:10.1073/pnas.1604692113。谢基伟副教授为第一及通讯作者。

图二:
开普勒卫星观测到的多行星系统与太阳系各类天体的轨道偏心率和倾角符合一个e=(1~2)*i的普遍规律。途中各点分别代表太阳系8大行星(蓝色),海王星外小天体(红色和浅蓝色),小行星带天体(绿色),各大行星的卫星(左下:黄色,黑色,黄绿色)以及开普勒发现的多行星系统(紫色)。

该工作受到国家天文台LAMOST工作组的大力支持,并得到国家科技部973项目、中科院先导科技专项、国家自然科学基金、LAMOST杰出学者、以及全国优秀博士论文专项基金等的资助。

图一:位于河北省兴隆观测站的郭守敬望远镜

(天文与空间科学学院 科学技术处)

 

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他们分析了近700颗具有LAMOST宿主恒星参数的开普勒行星样本,结合LAMOST的光谱数据和开普勒卫星观测到的凌星光变曲线,得到了这些行星的轨道偏心率和倾角的统计分布规律。他们发现约八成的行星轨道都如同太阳系行星,轨道为近圆形(平均偏心率小于0.1),只有两成左右的行星偏心率较大(平均值大于0.3),显著地偏离了圆轨道。他们的研究还发现,开普勒多行星系统的平均轨道偏心率和轨道倾角符合太阳系中的天体的规律,约呈线性关系(图二)。近圆轨道的普遍性意味着行星形成的“主旋律”应该是“温和”的,而造成高偏心率轨道的剧烈行星轨道演化过程只是“少数派”。

但是,最初发现的几百颗系外行星(如图1所示,主要通过视向速度方法发现),它们大多数的轨道都是偏心率很大的椭圆(平均偏心率达到0.3),与太阳系的行星风格迥异,极大挑战了当前“标准模型”,形成了一直以来困扰天文研究者的“系外行星轨道偏心率之谜”。

直到上世纪90年代,人类对行星的认识还局限在太阳系。太阳系的大行星大多运行在近圆形轨道上(偏心率平均值0.06;偏心率取值0到1之间,值越大则越加偏离圆形),而且这些行星的轨道也几乎处于同一个平面上(轨道平均相对倾角仅3度左右)。几百年前,康德和拉普拉斯受到太阳系行星近圆、共面轨道分布规律的启发,提出了行星系统在盘上诞生的学说。该学说逐步发展成当今行星形成的“标准模型”。

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论文“Exoplanet Orbital Eccentricities Derived from LAMOST–Kepler
Analysis
”于2016年9月26号在PNAS在线发表。南京大学谢基伟副教授和北京大学东苏勃研究员是论文的共同第一作者和共同通讯作者。

我国的郭守敬望远镜(LAMOST)采用独特的创新设计,能在大视场中同时观测数千天体的光谱,是世界上光谱获取能力最高的望远镜
(图一)。近几年来,LAMOST在开普勒卫星观测天区得到了数万条光谱,其中包括数百个行星的宿主恒星。通过与其它高精度方法(星震学和高分辨率光谱)的比较论证,研究团队发现,LAMOST光谱对恒星基本属性的测量结果非常可靠,达到相当高的精度。他们意识到LAMOST数据可以用来解开太阳系外行星轨道偏心率的谜题。

2009年升空的美国宇航局(NASA)开普勒(Kepler)卫星利用行星穿过恒星表面(即凌星)的方法发现了数千颗行星,其中很多是与地球大小相仿的类地行星。开普勒卫星的发现表明类地行星在银河系中普遍存在,掀起了太阳系外行星研究的一场革命。但是,仅通过开普勒卫星本身的凌星数据无法直接测量行星的偏心率,测量这些行星的偏心率需要其它观测手段的辅助。其中一个测量偏心率的方法是用宿主恒星半径作为“标尺”丈量行星凌星时长的分布,而实施该方法需要得到恒星的精确参数。

该工作得到国家自然科学基金、中科院先导科技专项(B类)、中科院LAMOST杰出学者、国家科技部973项目以及全国优秀博士论文专项基金等的资助。