圍繞太陽運轉的行星,它們是如何進行運轉的

宋文傑的宇宙 發佈 2022-11-11T07:45:18.618678+00:00

經過一個世紀之後,我們終於找到了,關於其它恆星周圍的行星的證據。對主序恆星的調查顯示,有5%的恆星在3AU範圍內藏有Mjpu,在最低質量時達到峰值。


01概述


經過一個世紀之後,我們終於找到了,關於其它恆星周圍的行星的證據。恆星周圍磁碟的紅外成像和光譜學,預示著行星系統的形成和演化的詳情。對主序恆星的調查顯示,有5%的恆星在3AU範圍內藏有(0.5-8)Mjpu,在最低質量時達到峰值。它們的軌道要麼在0.2AU以內,要麼是偏心的,有時兩者都會出現。這些奇怪的軌道表明,氣體和行星的動力學產生了不同的系統,大約九顆巨行星和岩質行星的穩定、共面的軌道可能需要特殊的初始條件。更少的恆星(<1%)擁有(5-80 )Mjpu的伴星。這種褐矮星伴星的荒漠與大量自由旋轉的褐矮星形成鮮明對比。


02簡介


到本世紀末,太陽系外行星的證據似乎終於穩固了。偉大的動力學家西蒙·紐康在1902年寫道∶"科學史上最大的奇蹟,莫過於目前正在發現圍繞許多恆星運動的隱形行星。」而利克天文台最近在這方面發揮了主導作用。他對Campbell的光譜雙星的捉襟見肘的解釋還是傳達了兩個事實:


(1)100多年前,天文學家就知道都卜勒頻移測量可以揭示恆星周圍的行星。
(2) 天文學家保持著一種時尚愚昧的文化傳統。虛構的行星的停屍房裡有許多墓碑,許多天文學家把這些行星拖到他們的私人墳墓里。


冒著延續病態的風險,天文學家們又指出了三類觀察結果,它們支持關於行星的形成、存在和演變的基本方式。


首先,對年輕恆星周圍星盤的觀測與所需的星盤特性一致。我們的太陽系的形成,也就是說由軌道上的氣體和塵埃組成。


其次,對恆星的都卜勒測量顯示了明確的克卜勒運動,這意味著存在木星質量的同伴,估計是行星質量分布的頂端。與太陽系的第三種聯繫來自於中年恆星的紅外和亞毫米圖像,這些恆星被""碎片盤所包圍,iT被認為是柯伊伯帶和佐迪亞克塵埃的類似物。描述了我們目前對太陽系外行星和未來與我們太陽系的聯繫的猜測。


03恆星周圍的盤子


小於D3 Myr的太陽型恆星表現出由氣體和塵埃吸積到恆星上的環星盤等特徵。它們的質量、溫度、吸積率、塵埃和分子含量,都是通過從X射線到毫米波的觀測得出的,它們的質量從0.01到0.1M不等,大到足以構建一套類似於太陽系的行星系統。由此產生的圓盤模型表明,塵埃將聚結成行星和地球質量的核心



04太陽系以外行星的特徵


通過對D500主序恆星的都卜勒測量,發現了28顆質量為木星的行星。行星一詞不可避免地讓人聯想到圓形和共面軌道、岩石和氣態物體,以及從凝結物開始在盤中形成的特定形象。圍繞恆星的10M以下天體的真正屬性仍有待確定,而理論必須提供從觀察到的屬性到親行星盤物理學的聯繫。事實上,理論在解釋圍繞Upsilon Andromedae運行的三個木星質量的伴星的形成方面遇到了困難,但是它們的結構已經表明,形成是在一個盤中進行的。



到目前為止,都卜勒搜索對3AU範圍內質量大於D0.5M的行星(褐矮星)比較敏感。


圖中顯示了從所有對FGKM矮星的都卜勒探測中得出的伴星質量估計直方圖,包括六顆新行星。



圖1中.圍繞FGKM主序星的所有已知候選行星的M sin 的測量值。從8M到1M的質量分布上升是真實的,1M以下的不完整度最大。行星尚質量分析與dN/dMPM~1一致。褐矮星同伴,M sini【8M】UP,在5AU範圍內顯然是罕見的。


M sin從8MJUP到20MJUP的明顯不足。我們因此可以得出幾個初步的結論,在3AU範圍內,相對於行星來說,褐矮星Ⅱ伴星的數量很少,不到0.5%的恆星只有一個伴星。然而,自由運轉的褐矮星卻很豐富。行星很少在質量超過D7M時形成。行星的質量分布向低質量上升,這與冪律不無關係,dN/dMPM~1,行星的另外兩個特性仍然是相當不確定的。



這時可以看出,太陽系外行星的宿主恆星的重元素豐度比菲爾德恆星高一倍。這個結果是統計學上的助數,如果不是,也許行星更容易在富含灰塵的原行星盤中形成。


近在咫尺的51顆Peg行星的軌道幾乎是環形的,也許是被潮汐圓化所強制的。但是所有18顆距離恆星超過0.2AU的行星都在非圓形軌道上運行,其偏心率為e「 0.1,比地球(e/0.03)或巨行星(e/0.05)更偏心。大的偏心率可能是由行星、圓盤或經過的恆星施加的引力所擾動的。這些理論模型似乎非常強大,可以傳達出一個基本原則。更傾向於破壞圓形、共面的軌道。如果是這樣,太陽系就是一個特例,對嚴重的不穩定性免疫。這種奇怪的可能性將通過對位於4E6AU的木星的觀測來檢驗,以便與我們的木星直接比較。



圖2.已知所有候選行星的軌道偏心率與半主軸的關係。在0.2AU之外,所有的行星都有非圓形的軌道。


05黃道帶和碎片盤


太陽系中的柯伊伯帶和黃道帶塵埃含有關於過去4.5 Gyr 的形成、化學和動力學的寶貴信息。對其他恆星周圍的塵埃盤進行紅外和亞毫米成像,可以得到關於這些行星系統的類似信息。磁碟圖像給出了軌道平面的傾角i,從而從M sin i中得到了明確的行星質量。磁碟觀測將揭示出空洞、間隙和截斷的邊緣,以提供有關牧羊行星的動力學信息。55 Cancri星預示著未來,因為它可能有兩顆行星和一個在散射光和熱輻射中觀察到的塵埃盤。圓盤SED 的模型,它們的形態,以及相關的行星將產生自V oyager 任務以來從未見過的行星物理學的復興。



年輕恆星和老恆星周圍的塵埃中無處不在的無色散射光表明,聚集在一起變成大顆粒是正常的。毫無疑問,銀河系中的大多數恆星都藏有彗星和地球質量的行星。未來10年將產生幾十個行星系統,對它們的起源進行描述,並對它們的不同結構進行衡量。我們還可能收集到關於行星系統的附屬特徵,例如它們是否適合於自我複製的有機分子。

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