俘获与逃逸—特殊构型下系外行星系统的形成机制研究

Observations have shown that configurations of exoplanet systems have many different characteristics as compared to that of the Solar System. These include a large number of giant extrasolar planets are found to have large orbital eccentricities, the orbital configurations of exoplanets in binary systems are diverse, many free-floating planets have been discovered, and some planets are found on retrograde orbits. Previous studies have revealed that mechanisms involving escape and capture in multi-body systems play important roles in forming the above diverse properties. Nevertheless, there are some crucial issues requiring further investigations, such as how to trigger the processes of capture and escape and what are the detail in the processes and the statistics of the resulting observations. . Based on numerical analyses, the theories of three-body problem and our knowledge and experience in the Solar System, we study the capture and escape processes taking place in three kinds of exoplanet systems with special system configurations. Our aim is to understand the detail of these dynamical processes and obtain the conditions under which they can take place. The main contents of this project include escape and capture phenomena in binary star systems, the dynamical interactions between fly-by stars and bound planets in a stellar cluster context, tidal destruction of satellite-planet pairs in planet-planet scattering processes and so on. . The studies of the processes of capture and escape in exoplanet systems will deepen our understanding of the background of planet formation and evolution and provide theoretical predictions for the planet\moon detections in these systems.

已有探测表明，太阳系外行星在系统构型上存在很多异于太阳系的特征。比如，系外大行星普遍存在较高的偏心率、双恒星系统中行星轨道构型的多样性、大量自由飘荡行星的存在、沿轨道逆行的行星等。初步的研究表明，多体系统中的逃逸和俘获机制是造成这类观测现象的原因之一。但对于具体背景下行星系统中俘获和逃逸现象的触发机制、过程的细节、产生的统计观测现象等诸多问题亟待解决。本项目拟以数值分析为主，同时借鉴太阳系背景下俘获和逃逸的动力学分析，以特殊三体或限制性三体的分析方法为辅，研究三类特殊系统构型下行星系统演化过程中的多体俘获和逃逸现象，深入探究这类现象发生的条件。内容包括双恒星系统中行星的逃逸和俘获，星团背景下行星系统与邻近恒星的相互作用，大行星之间的散射对卫星系统的潮汐破坏等。本项目拟通过对系外行星系统中俘获和逃逸现象的分析，加深我们对行星系统形成背景的认识，为下一步对这类系外行（卫）星的探测提供理论预言。

太阳系外行星是国际天体物理研究领域中的热点方向之一。Michel Mayor和Didier Queloz教授因发现第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星而被授予了2019年的诺贝尔物理学奖。太阳系外行星展现出很多异于太阳系行星的轨道特征。这些轨道特征的形成与轨道迁移、行星系统的引力不稳定等动力学机制有关。俘获和逃逸过程是这些动力学过程中的常见现象。在诸多系外行星中有一类构型特殊的系外行星系统，即近距双星系统中的行星，分为S型和P型。P型行星即环双星的行星系统（Circumbinary Planet，简称CBP）。在CBP中，以Kepler望远镜发现的10几个样本影响最大。本项目以CBP为主，研究了近距双星系统中行星系统的动力学演化，讨论双星系统中行星的俘获和逃逸现象，揭示出系统演化中的一些新特征，加深了人们对近距双星中行星形成的认识。. 本项目的研究内容分四个方面。一、系统研究了Kepler密近双星构型中发生的散射现象，发现了很多区别于单恒星系统中散射现象的特征。比如，散射后存活行星的半长径总是增大，偏心率分布和散射位置有关等。二、研究了行星的“质量比”对散射结果的影响，包括存活行星的轨道根数分布，逃逸的倾向性等。提出Kepler发现的环双星的行星可能经过散射过程。用散射模型成功解释了Kepler-34b和Kepler-413b轨道构型的形成。三、研究了近距双星系统中S型行星（围绕双星中的一颗运行）形成的机制。提出一种“外来”形成机制：环双星行星系统的散射引起的潮汐俘获。其形成概率和单恒星系统中潮汐俘获形成热木星的概率相当。四、双星的诞生环境对CBP系统构型的影响。讨论了星团背景下，恒星之间的密近交会对CBP轨道根数的影响。我们的系列工作从一个新的角度，即行星散射角度解释了目前Kepler望远镜发现的环双星行星系统构型形成的可能原因，提出了在近距双星系统中形成S型行星的可能机制，探讨了影响行星系统形成的环境因素。这些理论工作加深了我们对特殊恒星背景下行星形成的认识，为下一步探测近距双星系统中的行星提供了选源依据。