马克斯·普朗克天文学研究所 一个有两个超级地球和一个木星围绕一颗类太阳恒星运行的行星系统的艺术印象
模拟显示，除了有少量冰和气体的岩石超级地球之外，巨大的原行星盘通常在行星系统的外部区域形成一个寒冷的木星
信用:MPIA图形部门 由马克斯·普朗克天文学研究所的马丁·施莱克领导的一个国际天文学家小组发现，行星系统中岩石行星、气体行星和冰行星的排列显然不是随机的，只取决于几个初始条件
这项研究将发表在科学杂志《天文学和天体物理学》上，它是基于一项新的模拟，该模拟跟踪了几十亿年来行星系统的演变
围绕类太阳恒星的行星系统，在其内部区域产生含水量和气体含量都很低的超级地球，通常在外轨道上形成一颗与我们的木星相当的行星
这样的行星有助于将潜在的危险物体远离内部区域
科学家们怀疑木星在地球生命的发展中发挥了重要作用，因为它的引力经常使其轨道上潜在危险的小行星和彗星偏转到岩石行星区域，从而减少灾难性碰撞的数量
因此，这种情况反复提出了这样一个问题，即这样的行星组合是相当随机的，还是行星系统形成的共同结果
干燥的超级地球和寒冷的木星 海德堡的马克斯·普朗克天文研究所(MPIA)、伯尔尼大学和亚利桑那大学的科学家们现在发现了强有力的证据，表明类似地球的岩石行星明显经常与一颗宽轨道的类木星行星一起出现
“我们称这样的气体巨行星为冷木星
他们生长在距离中心恒星很远的地方，在那里水以冰的形式存在，”领导这项研究的马丁·施莱克解释道，他是海德堡马克斯·普朗克天文学研究所(MPIA)的博士生
我研究的类地行星是所谓的干燥超级地球
e
，比地球更大更重的岩石行星，只有稀薄的大气，几乎没有水或冰
他们居住在内心，我
e
，温带的行星系统，除了大小非常类似于地球
“而且，尽管有巨大的海洋和极地，地球的水的体积分数仅为0
12%是干燥的星球，”施莱克指出
因此，在内部区域找到一个寒冷的木星和一个富含冰的超级地球几乎是不可能的
此外，密集、延伸的气体包层主要存在于巨大的超级地球中
模拟提供了对难以测量的过程的洞察 这些结论是基于对1000个行星系统的新模拟的统计评估，这些行星系统在围绕类太阳恒星的原行星盘中进化
这些模拟是伯尔尼大学和MPIA大学长期合作从理论角度研究行星起源的最新成果
从随机初始条件开始，e
g
对于气体和固体物质的质量、圆盘的大小和新行星种子细胞的位置，科学家们跟踪了这些系统几十亿年的生命周期
“在模拟过程中，行星胚胎收集材料、成长为行星、改变轨道、碰撞或被逐出系统，”伯尔尼大学的克里斯托夫·莫达西尼和该研究论文的合著者描述了模拟过程
模拟的行星系统最终在围绕中心恒星的不同轨道上有不同大小、质量和组成的行星
MPIA行星形成理论工作组组长休伯特·克拉尔解释说:“这种模拟支持了对系外行星系统的研究，因为像冷木星这样的行星需要大量时间才能在其宽广的轨道上围绕母星运行
“这使得通过观测很难找到它们，所以寻找系外行星并不能真实地反映行星系统的实际组成
天文学家更有可能在围绕低质量恒星的闭合轨道上发现高质量行星
“另一方面，模拟原则上不受这些限制，”克拉尔补充道
根据所分析的模拟，冰状超级地球(a)或岩石状(缺乏冰)超级地球如何与寒冷的木星(b)一起形成的情景示意图
原行星盘的质量决定了结果
信用:Schlecker等人
/MPIA 观察和模拟不匹配 “根据近年来的观察，我们想验证一个令人惊讶的发现，即带有冷木星的行星系统几乎总是包含一个超级地球，”施莱克说
相反，在形成超级地球的所有行星系统中，大约30%似乎也有冷木星
可以合理地预计，大质量行星在其形成过程中更有可能破坏行星系统，从而阻碍其他行星的形成
然而，这些寒冷的木星似乎离内部足够远，所以它们对发展的影响似乎相当小
然而，对模拟行星系统的评估无法证实这一趋势
所有冷木星中只有三分之一伴随着至少一个超级地球
此外，天文学家在所有超级地球的合成行星系统中只发现了10%的冷木星
因此，模拟显示，超级地球和冷木星在一个行星系统中同时出现的可能性只比它们单独出现的可能性略高
科学家将这一结果归因于几个原因
一种解释与气态行星逐渐向内迁移的速度有关
行星形成理论似乎预测了比观察到的更高的速率，导致中等距离轨道上气体巨行星的积累增加
在模拟中，这些“温暖的木星”干扰内部轨道，导致更多的超级地球被喷射出来，甚至在巨大的碰撞中发生碰撞
随着模拟气体行星迁移的趋势稍微降低，更多的超级地球将保留下来，这将与观测结果更加一致
模拟预测未来的发现 现在，观测只能粗略区分不同类型的超级地球，因为它们的精确特征需要精确的测量，而用今天的仪器很难做到
然而，在伯尔尼-海德堡集团的模拟中，这是通过追踪一颗行星在原行星盘内的路径及其与其他行星的相遇来实现的
“我们发现了相当多的行星系统，包括一个寒冷的木星和至少一个干燥的超级地球，我
e
，几乎没有水或冰，最多只有稀薄的大气，”施莱克指出
与观测数据进行比较是困难的，因为迄今已知的大约有3200个行星系统，只有24个被证明与这样的星座具有可比性
然而，现有的结果是一致的
另一方面，几乎没有任何行星系统中同时存在冰含量高的超级地球和寒冷的木星
基于这些发现，这项研究的天文学家已经开发了一个场景，可以解释这些完全不同类型的行星系统的形成
模拟显示，最终的星座主要由原行星盘的质量决定
e
，可供行星吸积的物质数量
在中等质量的圆盘中，内部温暖的区域没有足够的物质来制造超级地球
与此同时，在雪线以外的外部，水以冻结的形式存在，冰块的比例相当大，因此数量也太小，无法形成像木星这样的大质量行星
取而代之的是，那里的物质凝结成超级地球，其中有很大比例的冰，可能还有一个扩展的气体包层
这些超级地球逐渐向内迁移
相比之下，在巨大的圆盘中有足够的物质来形成离中心恒星中等距离的类地岩石行星和雪线以外的冷巨型行星
这些岩石行星缺乏冰和气体
在寒冷的木星轨道之外，可以形成富含冰的超级地球，但是它们在径向的迁移受到巨大行星的影响
因此，它们不能进入内部温暖的区域
验证预测只有在几年后才有可能 然而，只有用强大的望远镜，如欧洲南方天文台的超大型望远镜(ELT)或詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)才能验证这一概念
两者都有望在本十年内投入运营
“理论预测必须能够在经验面前失败，”施莱克要求
“有了即将部署的下一代仪器，我们将能够测试我们的模型是否能支撑下去，或者我们是否需要重新开始
" 原则上，这个结果也适用于这种干燥的岩石行星，它们的大小和质量大致相当于地球
所以，太阳系里除了地球之外，还有一颗像木星一样的行星，这可能不是巧合
然而，目前可用的测量设备不够灵敏，无法通过观测可靠地大量探测到这样的地球孪晶
出于这个原因，天文学家目前必须在很大程度上局限于研究地球的大质量对应物
只有通过英语教学和JWST，我们才能在这个方向上取得进步
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
