行星如何在双星系统中形成而不被压碎

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双星系统中的行星

天文学家开发了迄今为止最真实的双星系统行星形成模型。

来自剑桥大学和马克斯·普朗克地外物理研究所的研究人员展示了双星系统中的系外行星——比如美国宇航局开普勒太空望远镜发现的“塔图因”行星——是如何在它们混乱的诞生环境中没有被摧毁的情况下形成的。

他们研究了一种双星系统,其中较小的伴星大约每100年绕较大的母星运行一次,我们最近的邻居,半人马座阿尔法星就是这样一个系统的例子。

来自剑桥大学应用数学和理论物理系的合著者Roman Rafikov博士说:“这样的一个系统相当于天王星所在的第二个太阳,这将使我们自己的太阳系看起来非常不同。”

Rafikov和他的合著者、来自马克斯·普朗克地外物理研究所的Kedron Silsbee博士发现,要在这些系统中形成行星,星子——围绕年轻恒星运行的行星构建块——需要从直径至少10公里开始,而围绕恒星的尘埃、冰和气体组成的圆盘,行星在其中形成,需要相对圆形。

这项研究发表在《天文学和天体物理学》杂志上,将双星行星形成的研究提升到了一个新的现实水平,并解释了这类行星(其中一些已经被探测到)是如何形成的。

据信,行星的形成始于围绕一颗年轻恒星运行的原行星盘——主要由氢、氦、冰和尘埃的微小粒子组成。根据目前关于行星形成的主要理论,即核心吸积理论,尘埃粒子相互粘在一起,最终形成越来越大的固体。如果这个过程提前停止,结果可能是一颗类似地球的岩石行星。如果这颗行星变得比地球还大,那么它的引力就足以从圆盘中捕获大量气体,从而形成像木星一样的气体巨行星。

拉菲科夫说:“这个理论对于围绕单一恒星形成的行星系来说是有意义的,但在双星系统中行星的形成就更复杂了,因为伴星就像一个巨大的打蛋器,动态地刺激原行星盘。”

“在一个只有一颗恒星的系统中,圆盘中的粒子以低速运动,所以当它们碰撞时很容易粘在一起,让它们生长,”Silsbee说。“但由于双星伴星的引力‘打蛋器’效应,那里的固体粒子以更高的速度相互碰撞。所以,当它们碰撞时,它们会互相摧毁。”

许多系外行星已经在双星系统中被发现,所以问题是它们是如何到达那里的。一些天文学家甚至认为,这些行星可能是漂浮在星际空间中,被双星的引力吸进去的。

Rafikov和Silsbee进行了一系列模拟来帮助解决这个谜题。他们开发了一个详细的二进制行星生长数学模型,使用了现实的物理输入,并解释了一些经常被忽视的过程,比如气体盘对其内部星子运动的引力效应。

“已知圆盘通过气体阻力直接影响星子,就像一种风,”Silsbee说。“几年前,我们意识到,除了气体阻力之外,圆盘本身的引力还极大地改变了星子的动力学,在某些情况下,即使有伴星造成的引力扰动,行星也能形成。”

Rafikov说:“我们建立的模型将这项工作和之前的其他工作结合在一起,以检验行星形成理论。”

他们的模型发现,行星可以在像半人马座阿尔法星这样的双星系统中形成,前提是星子的直径至少为10公里,原行星盘本身接近圆形,没有很大的不规则性。当这些条件满足时,星盘某些部分的星子最终相对彼此移动得足够慢,以至于它们粘在一起而不是互相破坏。

这些发现支持了星子形成的一种特殊机制,称为流不稳定性,是行星形成过程的一个组成部分。这种不稳定性是一种集体效应,包括气体中存在的许多固体粒子,它能够集中鹅卵石大小的尘埃颗粒,产生一些大的星子,这些星子可以在大多数碰撞中存活下来。

这项工作的结果为双星和单星周围的行星形成理论提供了重要的见解,以及对双星中原行星盘的流体动力学模拟。未来,该模型还可以用来解释“塔图因”行星的起源——围绕双星的两个组成部分运行的系外行星——美国宇航局的开普勒太空望远镜已经确定了其中大约十几个。

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参考:
Kedron Silsbee和Roman R. Rafikov。《恒星双星中的行星形成:星子增长的全球模拟》天文学和天体物理学(2021年)。0004 - 6361/202141139 DOI: 10.1051 /

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