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LAMOST助力揭示超级地球/亚海王星系统的出现率与轨道构型随时间的演化规律
时间 : 2023-11-24     

随着探测技术的不断发展,科学家们已经发现了5000余颗系外行星。这些太阳系外的行星系统的构型丰富多彩,而且往往与太阳系存在着巨大的差别(见图 1),已发现的系外行星大部分是太阳系中没有的,大小介于地球和海王星之间的所谓“超级地球”和“亚海王星”。那么这些系外行星系统是如何形成的?又是如何演化到目前构型的? 

近期,研究团队利用我国郭守敬望远镜(LAMOST)的光谱数据,并结合盖亚望远镜(Gaia)的天测数据,以及开普勒望远镜(Kepler)的测光数据,得到了超级地球和亚海王星系统的出现率与轨道构型随恒星年龄的演化规律,这为理解太阳系的形成和演化提供了新的启示。南京大学科研助理杨佳祎为该文的第一作者,谢基伟教授为通讯作者。

 
图1 :各种各样的系外行星系统与太阳系的对比图(图片来源:NASA)  

研究团队借助LAMOST和Gaia的观测数据,测定了恒星的三维速度,基于此计算出恒星的运动学年龄。以往的研究表明,行星系统的出现率还与恒星的性质相关,如恒星的表面温度、质量、金属丰度、半径和噪声等。为了得到行星出现率与恒星年龄的关系,排除其他恒星性质的影响,研究团队采用了“控制参数法”,对于不同的年龄组别,选取各个参数都相近的恒星,以分离出恒星年龄的影响(见图 2)。

 
 
  
图2:控制参数法示意图  

在确定了恒星的年龄,并排除了其他恒星参数影响后,研究团队发现,随着恒星年龄增加,恒星周围出现行星系统的概率不变,一直保持在50%左右(如图3左)。同时,行星系统内的平均行星个数,则随着年龄的增加而减少。对于年龄在10亿年左右的恒星,其行星系统的平均行星(轨道周期小于400天范围)个数为3.7,而对于年龄100亿年左右的恒星,行星的平均个数下降到1.8(见图 3右)。 


  
图3:行星出现率随恒星年龄的变化  

研究团队还发现,行星系统轨道倾角的弥散度随着恒星年龄增加而上升。在恒星较为年轻时,其轨道倾角弥散度的中值大约为1.2度,在恒星较为年老时,轨道倾角弥散度的中值增加到3.5度左右。轨道倾角弥散度随时间增长,说明行星系统演化过程中,随着行星之间的相互影响,轨道逐渐变热。特别的是,太阳系年龄约为46亿年,其类地行星的轨道倾角弥散度约为3.5度,同样符合这一规律(见图 4)。此外,有趣的是,如果按照此规律往回推测的话,太阳系早期可能包含更多数量的行星,且轨道构型更加扁平。这个推论和一些太阳系的早期演化模型不谋而合。

 
图4:行星轨道倾角弥散度随恒星年龄的变化 

该研究成果于近期以“Planets Across Space and Time (PAST). IV. The Occurrence and Architecture of Kepler Planetary Systems as a Function of Kinematic Age Revealed by the LAMOST–Gaia–Kepler Sample”为标题发表在《天文学杂志》(Yang et al.2023,AJ,166,243)上。研究团队成员还包括:南京大学陈迪昌博士、周济林教授、朱紫教授,北京大学东苏勃研究员,美国犹他大学郑政教授,国家天文台刘超研究员、罗阿理研究员,以及北师大宗伟凯博士。该文是"系外行星的空间分布和年龄演化"(Planets Across Space and Time,英文简称为PAST,中文简称"穿越")系列的第四篇文章,更多"穿越"系列的后续工作正在进行和准备中。该项研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及LAMOST重大成果培育项目的支持。 

文章链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad0368 

更多穿越系列研究成果: 
"穿越-1":https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd5be 
"穿越-2":https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac0f08 
"穿越-3":https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac641f 
"穿越-5":https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304179120