对行星形成理论的新挑战：低质量恒星周围的大质量行星

来源：ScienceAAAS

中科院青促会 王素

（中科院紫金山天文台）

评述论文：A giant exoplanet orbiting a very-low-mass star challenges planet formation models （Science 27 September 2019: Vol 365, Issue 1441）

 自从1995年人类发现第一颗系外行星以来，利用不同的观测手段，科学家们目前已经观测发现了超过4000颗太阳系外行星，这些行星轨道周期分布的范围涵盖了小于一天到大于10000天的区域，其中仅有约10%的行星轨道是位于M型矮星周围。虽然M型矮星是银河系中数目最众多的恒星，但是它们的质量通常都小于0.6个太阳质量，所以主星在可见光波段比较暗，在其周围很难观测到行星的存在。利用目前视向速度和掩星法发现的行星分布估计，每颗M型矮星周围存在行星的数目在1-2.5颗，且大部分行星质量在地球或海王星质量量级。在M型矮星周围仅观测发现了非常少数目的类木行星。这种分布估计和观测现状与经典的核吸积行星形成理论估计结果一致：低质量的恒星周围形成气态巨行星的概率很低。另一方面，根据行星形成理论，由于雪线之外温度更低，挥发性物质会凝聚成固态，气态巨行星在雪线以外出现的概率会更高。然而对于M型矮星来说，其周围的盘中是否有足够的物质能够维持足够长的时间来形成气态巨行星尚未可知。因此对M型矮星附近的行星形成和分布情况仍然存在大量的疑问。究竟在M型矮星附近能否形成气态巨行星？形成效率如何？气态巨行星的分布情况又如何呢？CARMENES系外行星探测项目就是利用光学和近红外双通道高精度光谱仪来观测M型矮星周围的行星试图解决这些问题。CARMENES是建立在西班牙卡拉阿托天文台的设备，由西班牙和德国11个科研机构共同运营，该设备是目前世界上唯一一台精准稳定的运行在真空环境下的设备，且温度控制在千分之一度。现在该项目已经运行到了第四个年头，时间已经足够可以观测获得M型矮星周围雪线之外的行星。来自西班牙的学者在最新一期的Science杂志上发表了利用该设备发现的M型恒星周围的气态巨行星。 

M型恒星GJ 3512（也称为LP90-18）是CARMENES观测项目中的目标星之一，这是一颗质量为0.12个太阳质量的M5.5型主序恒星。对该恒星视向速度的观测数据从最开始就表现出明显的变化趋势，经过超过两年的观测，数据已经覆盖了大约四个周期的大幅度变化。开普勒轨道模型的拟合结果与观测数据在两个波长通道下都相符（图1），因此可以相信这样的信号是由系统中的行星引起的。Morales所在的研究团队拟合获得了系统中一颗周期为203天的行星GJ 3512b，它的最小质量约为0.463个木星质量，是一颗巨行星，该行星的轨道扁长，偏心率约为0.4356（图1A）。在移除这颗行星产生的信号以后，观测数据中还显示了一个长期的变化趋势（图1B），这可能是由系统中存在的第二颗行星GJ 3512c产生的，这颗行星的周期约为1400天，但是鉴于目前数据仍然不能覆盖一个行星周期，这颗行星的参数很难精确限定。系统中恒星和行星的相关轨道参数和物理参数均列在表1中。

图1. 观测获得的视向速度数据以及轨道模型和残差。A. 蓝点为光学波段观测数据，红点为近红外波段观测数据，黑色实线为轨道拟合的结果。B. 剔除了行星b后对观测数据的拟合。C和D.系统中两颗行星模型下的残差（C为可见光波段，D为近红外波段）。

表1. GJ 3512系统中恒星和行星的参数 

从GJ 3512b的高偏心率轨道来判断，系统中应该存在不止一颗行星。如果系统中仅有一颗行星，在形成过程中，由于与气体盘的相互作用，行星更倾向于形成圆轨道或近圆轨道。但是行星之间的散射过程可以形成类似于GJ 3512b这样的高偏心率轨道，从观测数据中Morales的研究团队也预估了在1400天轨道上的行星GJ 3512c。由此推断，该行星系统构型的形成过程可能经历了如下阶段：系统中最初形成了三颗行星，而其中一颗与GJ 3512b质量差不多的行星被散射出了系统，从而形成了目前的高偏心率轨道行星b，以及离的较远行星c。 

对于GJ 3512这类矮星来说，系统中行星b的的质量如此高，如何生长为这类行星对行星形成理论提出了挑战。如果行星b是按照吸积理论预言的过程形成，那么首先需要形成一个至少5个地球质量的核，但是这么大的核很快就会由于与气体盘之间的相互作用发生轨道迁移，并以极快的速度迁移到盘的内边缘。因此很难形成GJ 3512b这样的气态巨行星。即使恒星周围的盘可以存在107年，也没有足够的时间使得行星核吸积生成气态巨行星。由于盘的引力不稳定形成这类行星的可能性更大。系统中行星b和行星c的质量之和约为恒星质量的0.4%，相比于恒星周围的盘来说质量非常大，这说明行星的形成过程非常迅速有效，因此该系统中行星可能由于引力不稳定形成。且行星更可能形成于气体盘相对恒星的质量仍然非常大，也就是说气体盘形成的早期阶段。通过分析气体盘的密度和粘滞系数与引力不稳定形成的行星的质量和位置来看，类似GJ 3512b这类行星更可能是通过引力不稳定形成的而非吸积过程。

述评人简介： 

 参考文献：

1. A. W. Howard et al.,Science 330, 653-655 (2010)

2. A. Schweitzer et al., Astron. Astrophys. 25, A68, (2019)

3. E. Ragusa et al., Mon, Not. R. Astron. Soc. 474, 4460-4476, (2018)

4. K. Kratter, G. Lodato, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 54, 271-311 (2016)