紫金山天文臺揭示近距雙星系統中S型行星的形成機制

　　8月21日，Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (《英國皇家天文學會月刊》)發表了中國科學院紫金山天文臺季江徽課題組對近距雙星系統中S型行星（行星環繞雙星中的一顆運行）形成機制的研究。該工作揭示環雙星的多行星系統內部發生的散射過程和恒星與行星之間的潮汐作用，可在近距雙星（間距為0.5-3 au，au為天文單位）內部形成S型行星。該項成果對深入了解雙星系統中行星形成與演化具有重要科學意義。

　　電影《阿凡達》描述了距離太陽系最近的雙星系統Alpha Centauri （AB）中的一顆S型大行星的衛星（潘多拉星球）上發生的故事。S型行星是雙星系統中的一種，即所謂的衛星型行星環繞雙星中的一顆運行，目前天文學家探測到約100多顆這類環恒星行星，圖1為2012年發現的Alpha Centauri Bb。雙星之間的距離對內部行星的形成有決定性影響。因此，近距雙星（Close Binary）系統中S型行星的發現引起研究者的特別關注和廣泛討論。盡管目前在雙星間距為5-50 au的雙星系統中發現了多顆此類行星（如Alpha Centauri Bb），但是目前尚未在雙星間距小于5 au的雙星內部發現S型行星。而雙星間距小于5 au的近距雙星的數目非常之多，比如Kepler空間望遠鏡發現了3000多顆掩食雙星（周期<1000天）。最近，天文學家提出新的探測方法，指出以現有儀器的探測精度可在掩食雙星系統中探測S型行星， 諸如TESS和未來PLATO等空間探測任務均可探測到此類天體。因此，在掩食雙星中探測S型行星讓人們充滿期待，它們的存在將為深入理解行星形成理論提供更多的觀測樣本，進而可重新審視行星系統與行星形成機制，特別是它們的出現對近距雙星本身的形成和演化也給出新的研究線索。

　　一般行星形成理論認為，由于伴星的強烈攝動，在近距雙星內部“本地”形成行星極為困難。而在近距雙星外圍形成行星則相對容易，這類行星被稱為環雙星行星(Circumbinary planets ,CBP）。目前已發現了20多顆CBP。據觀測數據的分析，認為CBP潛在的數目巨大，它們出現幾率與單恒星周圍行星出現的幾率相當，甚至更多。此外，對CBP的研究還表明，多行星系統易引發動力學不穩定。在研究工作中，科研人員發現CBP之間的散射和恒星的潮汐俘獲可在近距雙星（間距為0.5-3 au）內部形成S型行星（圖2），而潮汐俘獲行星的幾率與雙星的質量比、偏心率有關。雙星的質量比和偏心率越小，形成該類行星的幾率越大。另外一個有趣的發現是，這種機制可以在系統中形成逆行行星，即行星軌道方向和宿主恒星自轉方向相反。若這類型行星能被探測到，將會是對該機制的一個有力的佐證，因為通常“本地”形成的行星出現在順行的軌道上，即原行星盤的運行方向上。該研究可為將來探測此類行星的目標雙星的遴選提供理論依據。

　　論文的第一作者為紫金山天文臺博士后宮衍香，合作導師為研究員季江徽。

　　該項研究工作得到了國家自然科學基金（11773081, 11573018, 11661161013）、中國博士后科學基金（2018M630621）和中科院行星科學重點實驗室等的資助。