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东苏勃应邀在《天文学和天体物理学年评》发表系外行星统计研究述评文章
发布日期:2021-09-09浏览次数:

“行星系统是如何形成和演化的?”对天文学中这一古老且基本问题的探索,本质上也是在追溯人类的起源。长久以来,由于人类所知的行星系统只有太阳系这个“孤本”,导致该问题的研究受到极大限制。自1995年发现绕类太阳恒星的第一颗系外行星(日内瓦大学Michel Mayor教授和日内瓦大学/剑桥大学Didier Queloz教授为此获得2019年度诺贝尔物理学奖)以来,已发现的系外行星的数量呈爆发式增长;系外行星研究领域由此飞速发展,成为目前天文学最活跃的前沿方向之一。出人意料的是,这些已发现的系外行星系统,其性质和轨道分布大多与太阳系行星迥异,并呈现出惊人的多样性。这些发现极大地挑战了传统的行星形成理论,同时也为回答“行星系统的起源”带来了前所未有的机遇。近十年来,美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的开普勒卫星用凌星法(即行星掩食恒星)搜寻到数千颗系外行星,为系外行星领域的研究带来了一场革命。这些海量发现引领系外行星前沿研究的一个重大发展趋势,即通过利用大样本观测数据系统地研究行星及其宿主恒星分布的统计性质,深入理解行星形成和演化的物理机制和环境。

近期,国际天文学界最具影响力的综述期刊《天文学和天体物理学年评》(Annual Review of Astronomy and Astrophysics, ARA&A)特邀北京大学科维理天文与天体物理研究所东苏勃研究员撰写述评文章,对研究领域“太阳系外行星统计”进行系统的总结和展望。2021年9月8日,综述文章以“系外行星统计及其理论意义”(Exoplanet statistics and theoretical implications)为题在线发表。清华大学天文系助理教授、北京大学物理学院天文学系2013届本科毕业生祝伟为第一作者,东苏勃为通讯作者。

这篇文章评述了近年来行星统计研究方面的重要进展,重点讨论了开普勒卫星的主要探测区间——轨道半径短于日地距离的行星分布情况(如图)。虽然开普勒卫星发现的行星为研究统计分布提供了极佳的样本来源,但其原始数据因缺乏目标恒星的精确参数而存在着重大的局限性。近年来,研究人员为系统刻画开普勒行星样本开展了大量工作,以充分实现其统计研究上的潜力。其中,国家重大科技基础设施“郭守敬望远镜”(Large sky area multi-object fiber spectroscopy tele, LAMOST)的光谱巡天获得了开普勒目标恒星的最大光谱参数样本,为研究完备的开普勒行星样本做出关键贡献,极大加深了人们对系外行星的理解,其中包括行星数目和轨道分布。银河系中比地球大、轨道半径小于日地距离的行星总数与恒星相当,而每个行星系统中平均有三颗此类行星。这表明,行星形成的效率比传统的基于太阳系发展而来的行星形成模型要高得多。此外,行星轨道形状的分布显示与系统中行星的数量有关:行星数目多的系统类似太阳系,即行星的轨道接近圆形且几乎处于同一个平面上;而在行星数目少的系统里行星则具有高椭率、高倾角的轨道。这意味着,行星间引力相互作用导致的动力学演化在塑造行星轨道构型上起了重要作用。


已知系外行星的质量-轨道半径分布(不同颜色的点代表不同方法发现的行星,其中紫色点表示地基望远镜凌星法,蓝色点表示开普勒卫星凌星法,橙色点表示视向速度法,绿色点表示地基望远镜微引力透镜法,褐色点表示直接成像法;实线表示不同方法探测的灵敏区间,绿色虚线表示未来空间望远镜微引力透镜法的预计探测区间;内插图标识了太阳系八大行星)


文中还讨论并总结了视向速度法和微引力透镜法对轨道半径较长行星的研究结果,以及微引力透镜法发现的流浪行星族群的观测和理论意义;全面梳理了系外行星领域的统计结果,探讨了其对行星系统形成和演化的理论意义;最后指出该领域未来有望取得突破的研究方向。

上述研究工作得到国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项“基于LAMOST 巡天的系外行星系统研究及观测搜寻”等项目的支持。

作为天文和天体物理领域中最具影响力的专业期刊,由年评(Annual Reviews)出版社发行的《天文学和天体物理学年评》(ARA&A)每年出版一卷,每卷发表十余篇特邀述评文章。Annual Reviews系列涵盖多学科,旨在为各领域最前沿的进展提供具有高度权威性的专业述评,并给专业研究人员提供方向性指导,被国际科学界公认为基本参考文献。

论文原文链接:https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-astro-112420-020055