紫金山天文台揭示比邻星系统动力学演化和稳定性特征

　　10月9日，Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (《英国皇家天文学会月刊》)在线发表了中国科学院紫金山天文台季江徽课题组的关于比邻星系统动力学演化和稳定性特征的研究成果，这些研究对深入了解行星系统的宜居区及形成演化具有重要科学意义。

　　北京时间2019年10月8日17时50分，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2019年度诺贝尔物理学奖授予美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布斯(James Peebles)，以表彰他“在物理宇宙学的理论发现”，以及瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和日内瓦大学与剑桥大学教授迪迪尔·奎洛兹(Didier Queloz)，以表彰他们“发现了一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星”。

　　自1995年米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹发现第一颗类太阳恒星周围的系外行星——51 Pegasi b以来，天文学家正在以难以置信的速度发现愈来愈多的系外行星，迄今通过包括视向速度法和凌星法在内的探测手段已发现了4118颗系外行星。天文学家预测表明，仅仅在浩瀚的银河系里，有可能存在100亿颗类似地球尺寸大小的行星，和地球一样处于其中央恒星的宜居带内。正如英国科幻小说家Arthur C. Clarke 的预测：“在茫茫的宇宙中，只有两个可能，要么我们是上帝的孤儿，要么我们还有其他兄弟姐妹……”我们正处在人类历史上最特殊的一段时期内。在不久的将来，我们或许会探测到宇宙中类似地球的行星上存在其他生命。

　　比邻星（Proxima Centauri，α Centauri C）距离地球1.295 pc，与α Centauri AB双星组成三合星系统（《三体》科幻小说正以此为背景）。AB双星距离地球1.34 pc（图1），其轨道半长径为17.57 AU，双星轨道周期为79.205 yr。α Centauri A为1.1太阳质量的G2V型恒星，α Centauri B为0.907太阳质量的K1V型恒星，而Proxima Centauri则为0.123太阳质量的M5.5V型的红矮星。它是目前人们发现的离太阳系最近的一颗恒星。2016年8月，Anglada-Escudé等人在Nature上发表了在比邻星附近发现一颗行星Proxima b的成果。他们通过HARPS和UVES光谱仪的视向速度观测，发现了一颗最小质量为1.3个地球质量的行星，并以周期11.2 天围绕比邻星运行，轨道半长轴为0.0485 AU，可能位于宜居区。观测还给出，在系统内可能存在另一个轨道周期为200多天的行星Proxima c。因此，该行星系统倍受国际上天文研究机构关注，这些行星是否宜居及系统稳定性特征如何已成为当前系外行星研究的前沿课题。

　　紫金山天文台研究团队分别采用数值模拟和理论分析方法，对该系统存在两颗行星的情况开展了深入的动力学演化和稳定性特征研究。考虑相对论效应和潮汐效应的情况，动力学演化结果表明：在一百万年左右的时间尺度上，Proxima b的轨道偏心率演化受到潮汐的影响很小，而相对论效应对两颗行星的影响比较明显。不考虑相对论效应和潮汐效应的情况，利用MEGNO积分器对系统稳定性的研究，描绘出了该系统稳定区域的整体图像（图2），揭示了两颗行星在共面和非共面时保持系统动力学稳定的行星参数限制。对于共面情况，内、外两颗行星的偏心率上限分别为0.4和0.65，此时Proxima b的半长轴范围为0.02 -0.1 au；对于非共面情况，两颗行星的轨道倾角低于50度。这些研究结果不仅有助于开展该系统的长期动力学形成演化及其形成机制研究，而且为后续系外行星的观测提供重要的理论参考。

　　该工作的第一作者是紫金山天文台硕士蒙通，导师为研究员季江徽。该项研究工作得到国家自然科学基金（11773081，11573073，11873097）、中科院创新交叉团队、中科院行星科学重点实验室等的资助。

图1 α Centauri 三合星系统示意图

图2 Proxima系统两颗行星共面情况的系统稳定区域图