奇妙的行星动物园

很长一段时间以来，人们理所当然地认为所有的行星系统都应该与太阳系类似。直到1995年，第一颗主序恒星周围的系外行星——飞马座 51b（51 Pegasi b）——被发现，人们对行星系统的认知也随之被打破。
飞马座 51b简直是一个怪胎：它拥有近似木星的质量和大约两倍于木星的体积，却运行在距离中心恒星平均只有0.05天文单位（1天文单位约为1.5亿公里 ）的轨道上，比水星与太阳之间的平均距离（约0.4天文单位）还要小得多。它绕恒星公转一圈仅需要4天多一点，活脱脱一个敏捷胖子的喜感形象。
随着KEPLER、TESS等空间探测任务的实施，天文学家发现了更多千奇百怪的系外行星系统，如同进入了行星动物园一般。目前人们已经发现了超过4000颗系外行星，其中包含了七百多个多行星系统，这些多行星系统无一与太阳系构型相同。
系外行星的质量和轨道分布[3]

天体华尔兹——近共振构型

〇 行星华尔兹的舞步
共振现象从物理上可以简单地理解为当物体的固有频率和外来驱动频率接近时，震动幅度发生较大变化的现象。它在声学中表现为“共鸣”，在电学中表现为“谐振”，而在行星系统构型中则表现为受引力影响引起的“轨道共振”，表现为两个天体在同一系统中运动的轨道周期成简单整数比。
这种构型在太阳系中比比皆是，比如小行星带中柯克伍德空隙（Kirkwood Gaps）的位置大部分是与木星发生平运动共振的位置；木星的三颗伽利略卫星（木卫一、木卫二、木卫三）在绕木星的运动中处于1:2:4共振中；冥王星跟海王星的公转周期比是3:2；等等。
类似的构型同样存在于系外行星系统中。从同一系统中相邻两颗行星的轨道周期比统计分布来看，大量的系外行星之间处于3:2和2:1等共振附近，我们称之为近共振构型。比如，Kepler-79(KOI-152)系统的三颗行星就构成了近似1:2:4共振构型。

KEPLER系外行星候选体周期比分布[6]（a）所有候选体;（b）三行星系统候选体

〇 行星如何更换舞步节拍
根据经典的行星形成理论，行星由形成于原行星盘中的星子结合而成，其初始轨道并不稳定，随之在原行星盘中向内迁移，两两之间被共振俘获的概率非常高，从而进入精准共振构型（即轨道周期比为精确的简单整数比），并逐渐形成稳定的系统。然而，我们观测到的却大多是近共振构型，虽然与精准共振构型间的偏差并不大，但这其中却可能暗藏着关于行星系统演化的核心机密，目前已知的可能包括：
  • 恒星对非常靠近的内部行星的潮汐作用可以将其公转轨道变圆并拉离共振；
  • 距离中心天体较远的行星系统中，轨道精准共振后的行星将会携手同步迁移，其轨道受原行星盘中残存的气体的压制而会变圆从而离开共振；
  • 具有偏心率的外部气态巨行星的存在将会迫使内部的类地行星之间进入近高阶共振。

孤僻的孩子——极短周期行星系统

在迄今发现的系外行星中，有一类非常特别，其轨道周期小于一天，被称为极短周期行星。这类行星有时又被称为热地球（hot Earth），因为它们距离中心恒星太近了。可以想象，其表面必将是一派熔岩肆虐的景象。

轨道周期小于一天的极短周期行星系统分布[8]

从拥有极短周期行星的多行星系统的构型分布来看，极短周期行星与系统中其他行星之间存在一定的距离。系统中其他行星往往处于一个较为紧致的构型中，而极短周期行星像是一个性格孤僻的孩子，紧紧地依偎在恒星母亲身旁。
和母亲靠得太近，就免不了受她的强烈的影响，如恒星的潮汐作用、恒星的辐射导致的大气消散等；和兄弟姐妹距离虽远，但毕竟是手足情深，相互影响一定少不了，尤其是那些木星质量大小的气态巨行星的影响。这些相互作用都值得深入研究。
一条藤上的葫芦娃——紧致多行星系统
随着系外行星发现数目的增加，多行星系统的数目也在不断增加。目前已经确认的系统中至少包含了6个六行星系统、1个七行星系统和1个八行星系统。
不同于太阳系的八颗行星散落在几十个天文单位的范围内，而在水星内部空无一物的情况，这些系外行星中的多行星系统构型较为紧致。这可能是由于所采用的凌星法更易于发现轨道周期在几十天内的行星。比如：
〇 Kepler-11，2010年发现，六行星系统。内部5颗行星的质量都在10倍地球质量以下，轨道周期在10天到50天之间。最外边一颗行星的质量约为几十倍地球质量，轨道周期为120天。这个系统相当于太阳系的水星轨道内还运行了五颗比地球还大的行星。
〇 TRAPPIST-1，2017年发现，七行星系统。其中最内部行星的轨道周期为1.5天，最外部行星的轨道周期也只有大约20天。七颗行星的质量都在地球质量量级，个头相对均匀，就像一条藤上的七个葫芦娃一样。
TRAPPIST-1系统与太阳系比较 | 图源：NASA
如此紧致的构型是如何能够保持稳定运行的呢？稳定的范围又有多大呢？在什么样的条件下系统会瓦解呢？这些问题将引导我们一步步揭开紧致构型的真相。
人类如此幸运
随着系外行星的发现，人类逐渐意识到太阳系的构型居然是如此的与众不同，又与其它构型存在着千丝万缕的联系。
在行星动物园里出现了构型各异的家族：有的靠大哥掌控全局；有的靠大家自觉按照规定的秩序排排坐；有的有恋家的孩子紧紧地依靠着母亲，其它的孩子则抱团在外打拼；有的则兄弟姐妹紧紧地靠在一起相互慰藉取暖。

充分了解各类构型的行星系统的异同之处将是我们深入认识太阳系形成与演化的关键一步。

参考文献：

1. Gillon, M. et al. 2017, Nature, 542, 456

2. Lissauer, J. J. et al. 2011, Nature, 470, 53

3. Liu, B. B. & Ji, J. H., 2020, RAA, 20, 164

4. Pan, M. R., Wang, S., & Ji, J. H., 2020, MNRAS, 496, 4688

5. Sahu, K. C., Casertano, S., Bond, et al., 2006, Nature, 443, 534

6. Wang, S. & Ji, J. H., 2014, ApJ, 795, 85

7. Wang, S. et al. 2021, AJ, 161, 77

8. Winn, J. N., Sanchis-Ojeda, R., & Rappaport, S., 2018, NAR, 83, 37

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