新知丨红矮星周围的宜居行星究竟是怎样形成的？

媒体滚动 2022.03.12 08:00

“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……”

——英国科幻小说家

Arthur C. Clarke

一直以来，寻找适宜人类居住的第二家园是探索宇宙的终极梦想之一。2016年，天文学家在距离我们太阳系最近的恒星比邻星 (4.2光年)周围就发了一颗位于宜居带的类地行星比邻星b（Proxima b），其最小质量为1.3个地球质量，公转周期仅为11.2天；2020年12月，研究人员从比邻星方向接收到神秘的无线电信号；2022年2月，天文学家又在比邻星系统中发现了第三颗行星——比邻星d。

这不禁会让我们发问：太阳系近邻的恒星系统中是否拥有适宜人类居住的第二家园？那里是否还存在智慧生命或高等文明？

什么是宜居行星？

天文学家将行星系统中适合生命的行星轨道范围称为“宜居带”。这个范围主要取决于中央恒星的类型和辐射强度，行星表面平均温度能够使液态水稳定存在，因此可能拥有与地球类似的生命存在的条件。太阳系的宜居带大致分布在金星轨道与火星轨道之间，而地球刚好在其中。2007年发现的Gliese 581c被认为是人类发现的第一颗在宜居带的类地行星。然而，生命的稳定存在还有许多其他条件，如足够长的恒星和行星寿命以供生命产生、适宜的恒星光度、稳定的小偏心率行星轨道和自转倾斜度、合适成分的行星大气和行星磁场等。

宜居行星知多少？

自从1995年天文学家发现第一颗太阳系外围绕主序恒星的类木行星以来，目前已探测到近5000颗系外行星，这些行星大小不一形态各异，包括热木星、亚海王星、岩石行星、超级地球等类型，与我们所熟悉的太阳系大行星迥然不同。在发现的行星中，大部分又位于红矮星周围。这让天文学家对红矮星周围宜居行星的搜寻格外上心。

红矮星为M型主序星，通常质量约为0.075–0.6倍太阳质量 (M⊙), 表面温度低于3500 K。在宇宙中大约73%的恒星为红矮星，例如前面提到的比邻星就是一颗红矮星。由于红矮星有效温度低、宜居带距离主星近, 质量和体积小，因此红矮星周围的行星易于被凌星法和视向速度法探测到。

目前由美国国家航空航天局（NASA）发射的Kepler空间望远镜和TESS空间望远镜利用凌星法来是探测系外行星，迄今共发现了3300多颗，其中红矮星周围的宜居类地行星为38颗。

地面上，西班牙-德国的CARMENES （Calar Alto high-Resolution search for M dwarfs with Exoearths with Near-infrared and optical Echelle Spectrographs）项目，利用西班牙南部的3.5 m望远镜，结合近红外观测与光学阶梯光栅光谱仪搜寻红矮星周围的类地行星；SPIRou （SpectroPolarimetre Infra-Rouge）和宜居带行星搜寻计划（The Habitable Zone Planet Finder, HPF）则通过视向速度法在近红外波段寻找红矮星周围的宜居行星。

那么红矮星周围的类地行星究竟是怎样形成的？每个红矮星系统平均拥有多少颗宜居行星？近邻类太阳型恒星附近是否存在像地球一样的宜居行星？

近期，中国科学院紫金山天文台研究团队一项基于行星形成的模拟研究，揭示了红矮星周围宜居行星的可能形成机制。

是“土著”还是“移民”？

红矮星周围类地行星的样本统计分析表明，大部分行星非常接近其母星，距离为0.01-0.2 AU（AU为天文单位），因此很多情况下它们处于潮汐锁定状态，即这些的行星自转周期和公转周期一样；另一方面，这也意味着由多颗类地行星组成的行星系统轨道分布十分“拥挤”，“居住空间”狭窄。

通常有两种理论来解释类地行星的形成：一种理论认为目前观测到的类地行星基本上在当地生成，其轨道与初始轨道几乎相同，即为所谓的原位形成机制，相当于是“土著”行星。还有一种理论认为，这些行星最初并不是在当前观测的轨道位置，而是由于行星在形成过程中与原行星盘发生角动量交换，从而引起行星发生向内迁移或向外迁移（反向迁移）的过程，即为轨道迁移机制，也就是“移民”行星。因此基于不同的原行星盘模型及行星形成的理论，可深入探究红矮星附近类地行星的形成演化历史。

研究人员基于行星形成的数值模拟发现，“土著”行星仅能吸积附近原行星盘的物质，导致所形成的行星质量偏小，且由于缺乏含水物质的传输，因此导致形成的行星一般不具有宜居性。

不同的是，“移民而来”的原行星，在其迁移中可吸积较多星子而生长成质量更大的类地行星。在向内迁移模型中，最终观察到所形成的超短周期类地行星分布在距离红矮星0.01-0.03 AU 内。而反向迁移机制中则考虑了原行星盘不同的加热机制，在盘内侧行星迁移方向发生翻转而向外侧迁移，最终形成的原行星会在黏性加热与辐射加热的过渡区域附近停止迁移最终在黏性加热与辐射加热的过渡区域附近停止迁移。反向迁移机制可解释红矮星周围类地行星的轨道分布特征。

研究发现在宜居区内形成的行星大多含有约10%的水，因此它们很可能具有宜居性。

红矮星周围类地行星的“家庭人数”

科研团队进一步揭示了红矮星系统中类地行星的生成率，例如原位形成模型中可平均生成7.77个质量约为1.23 M⊕（M⊕为地球质量）的行星；而向内迁移与反向迁移机制可分别平均产生2.55个质量约为3.76 M⊕和2.85个质量约为3.01 M⊕的类地行星。研究人员从行星质量、轨道半长径和偏心率分布等方面将模拟结果和实际观测样本进行分析对比，发现反向迁移机制形成的行星分布与观测数据具有较高的吻合度，揭示了红矮星周围宜居类地行星可能的形成机制。

寻找下一个地球家园

为深入研究类太阳型恒星和红矮星周围的宜居行星，来自中国科学院紫金山天文台、国家空间科学中心、光电技术研究所和微小卫星创新研究院等单位科研人员，在中国科学院“空间科学（二期）”战略性先导科技专项背景型号项目-“近邻宜居行星巡天计划”（Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES)的支持下，开展了科学目标的深化论证和关键技术攻关。