LAMOST解开太阳系外行星轨道之谜

　　 近期，我国科研人员利用中科院国家天文台郭守敬望远镜（LAMOST）的观测数据发现了太阳系外行星轨道分布的规律，解开了长久以来困扰天文研究者的系外行星轨道形状之谜 。相关研究论文“Exoplanet orbital eccentricities derived from LAMOST–Kepler analysis”于9月26号在《美国科学院院刊》（PNAS）发表。南京大学谢基伟副教授和北京大学东苏勃研究员是该论文的共同第一作者和共同通讯作者，研究团队还包括中科院国家天文台、北京师范大学等其他单位的合作者。 

　　突飞猛进的系外行星探索 

　　行星作为宇宙中最基本的天体之一普通却又不平凡。普通是因为它在宇宙中是非常普遍的，不平凡则是因为它是生命和文明的摇篮。承载着人类对揭开生命起源和寻求地外生命的强烈愿望，行星的探测及其形成演化的研究历史非常悠久。上世纪90年代，人们对行星的认识还仅局限在太阳系内。1995年，天文学家用视向速度法发现了围绕主序恒星的第一颗太阳系外行星（简称系外行星） 51 Peg b，拉开了系外行星研究的序幕。该领域迅速成为了当今科学前沿的一大热点。截至现在，发现并确认的系外行星已超过3500颗，其中很大一部分都是最近几年由美国宇航局（NASA）的开普勒（Kepler）卫星用凌星法发现的。Kepler的发现将系外行星的研究推向了一个前所未有的高潮（如图1所示）。 

　　系系外行星轨道之谜 

　　然而，仅通过Kepler卫星本身的凌星数据对了解系外行星的性质有很大局限性，其中Kepler数据不能直接测量的一个基本性质就是行星轨道的形状, 即偏心率。偏心率取值在0到1之间，值越大则轨道越偏离圆形（图2）。95%以上的Kepler行星轨道偏心率还是未知的。轨道偏心率对了解行星系统的形成至关重要。太阳系8大行星的偏心率非常小，轨道大都是近圆形（平均值0.06）且几乎在一个平面上（轨道平均相对倾角只有3度左右）。几百年前，康德和拉普拉斯受到太阳系行星近圆、共面轨道分布规律的启发，提出了行星系统在盘上诞生的学说。该学说逐步发展成当今行星形成的“标准模型”。但是最初用视向速度方法发现的上百颗系外行星的轨道形状分布出乎人们的意料。它们大多数的轨道都是偏心率很大的椭圆（平均偏心率达到0.3），与太阳系的行星迥然不同，挑战了“标准模型”，成了一直以来困扰天文研究者的“系外行星轨道偏心率之谜”。 

　　解开这个谜底对研究行星形成和演化以及如何审视我们太阳系在宇宙行星世界中的位置都有非常重要的意义。 

　　LAMOST一臂之力解开疑惑 

　　作为我国重大科技基础设施之一，郭守敬望远镜（LAMOST）采用独特的创新设计，能在大视场中同时观测数千天体的光谱，是目前世界上光谱获取能力最高的望远镜（图3）。近几年来，LAMOST在Kepler卫星观测天区得到了数万条光谱，其中包括数百个行星的宿主恒星。通过与其他高精度方法（如星震学和高分辨率光谱）的比较论证，谢基伟和东苏勃发现LAMOST光谱对恒星基本属性的测量结果非常可靠，达到相当高的精度。他们意识到LAMOST数据可以用来解开太阳系外行星轨道偏心率的谜题。 

　　他们采用的测量偏心率的方法是用宿主恒星半径作为“标尺”丈量行星凌星时长的分布，而实施该方法需要得到恒星的精确参数。谢基伟等人分析了近700颗具有LAMOST宿主恒星参数的Kepler行星样本，结合LAMOST的光谱数据和Kepler卫星观测到的凌星光变曲线，得到了这些行星的轨道偏心率和倾角的统计分布规律。最终发现约八成的行星轨道都如同太阳系，轨道为近圆形（平均偏心率小于0.1），只有两成左右的行星偏心率较大（平均值大于0.3）、显著地偏离了圆轨道。他们的研究还揭示，Kepler多行星系统的平均轨道偏心率和轨道倾角符合太阳系中天体的规律，约呈线性关系（图4）。近圆轨道的普遍性意味着行星形成的“主旋律”应该是“温和”的，而造成高偏心率轨道的剧烈行星轨道演化过程只是“少数派”。  

　　谢基伟说：“系外行星轨道形状谜底的解开对理解行星形成演化提供了重要的线索。此外，这个谜底也告诉我们，从轨道形状角度看，太阳系在宇宙中是具有代表性的。这种代表性某种程度上也增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心”。 

　　LAMOST科学委员会主任、LAMOST运行和发展中心主任赵刚研究员说“该项工作不仅对行星研究领域意义重大，而且它还充分体现了我国自主研制的LAMOST等大型天文装置在国际前沿科学研究领域扮演着越来越重要的角色。” 

　　文章链接：http://www.pnas.org/content/early/2016/09/21/1604692113.abstract 

　　该工作得到国家科技部973项目、中科院先导科技专项（B类）、国家自然科学基金、中科院LAMOST杰出学者以及全国优秀博士论文专项基金等的资助。 

图1:不同观测方法每年发现系外行星的个数。凌星法就是通过捕捉行星在视线方向上穿越恒星表面引起的恒星可视光度变化来探测系外行星。凌星法的杰出代表是Kepler卫星计划。Kepler目前发现了2327颗系外行星，约占所有已知系外行星总数的三分之二。 

　　系外行星轨道之谜：系外行星轨道主要是类似太阳系行星的近圆形轨道，还是大偏心率的椭圆轨道？ 

　　图3: LAMOST（左：位于中科院国家天文台河北兴隆观测站的LAMOST望远镜）携手Kepler（右：空间想象示意图）解开系外行星轨道之谜。  

图4:Kepler卫星观测到的多行星系统与太阳系各类天体的轨道偏心率和倾角都符合e=(1~2)*i的规律。图中各点分别代表太阳系8大行星（蓝色），海王星外小天体（红色和浅蓝色），小行星带天体（绿色），各大行星的卫星（左下：黄色，黑色，黄绿色）以及Kepler发现的多行星系统（紫色）。