新研究揭示巨行星形成的吸积和迁移过程
近日，由中国科学院上海天文台联合普林斯顿大学，东京科学研究所，加州大学圣克鲁斯分校组成的国际科研团队在行星吸积和迁移领域取得重要进展。相关研究以“Concurrent Accretion and Migration of Giant Planets in their Natal Disks with Consistent Accretion Torque (II): Parameter Survey and Condition for Outward Migration”发表在国际天文学期刊《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上，为巨行星的形成过程提供了新视角。
迄今为止，通过Kepler和TESS等巡天已发现了超过6000颗系外行星。自首颗围绕类太阳恒星的系外行星发现以来，就有理论认为这些行星并不是诞生在其现在距离中心恒星的地方，即行星发生了显著的轨道“迁移”，这被认为是解释热木星和超级地球等族群形成的重要机制。低质量行星对盘引力扰动较小，产生I型迁移；大质量行星会在盘上开沟，迁移速度有所降低，产生II型迁移。然而，经典理论普遍认为，不论是I型还是II型迁移，行星会在原行星盘上百万年的寿命内向恒星方向显著内迁。然而，这与现在观测到的宽轨道巨行星的轨道分布显著不一致，构成了行星形成理论的一大长期困扰。
研究团队发现传统理论在考虑巨行星迁移过程中忽略了一个关键点 --- 巨行星的吸积。然而，巨行星的早期形成过程中不可避免地会伴随着气体吸积过程， 因此， 吸积和迁移过程是自发耦合在一起的。前人往往将行星吸积和迁移问题孤立开来研究，从而导致这一效应被长期忽略了。研究团队发现同时性的处理吸积和迁移过程是解决这一问题的关键点。2024年，通过三维流体数值模拟首次发现吸积的巨行星有外迁的趋势。外迁的原因在于行星吸积形成的行星周盘施加在行星上的额外力矩，从而影响了行星的轨道迁移过程。在新的工作中，研究团队进行了系统的参数空间的探索，发现了决定行星外迁的的关键参数，即行星开沟的能力。这和行星的质量，吸积盘粘滞强度，盘的标高（或是温度）等相关。研究团队发现，如果行星开沟能力很弱，即行星捕获周围气体能力较弱，行星吸积效应也弱，此时会回到I型内迁趋势；如果行星开沟能力很强，行星将清空周围绝大部份气体，因而行星吸积效应也相应减弱，此时会回到II型内迁。在两者之间的参数空间，行星吸积效应最强，会产生行星外迁或是显著抑制内迁速度（图1）。
图1. 行星吸积率（上图）和迁移率（下图）随行星质量/恒星质量比q的变化。行星处在中间质量区间时，行星吸积最有效，行星迁移表现为外迁。
在同时发表的另一篇文章中（Ida et al. 2026）, 基于上述数值模拟结果和之前对行星吸积率的模拟，研究团队得到了一个新的迁移公式来描述吸积行星的质量增长和迁移过程，为未来的星族合成模型提供一个非常好的基石。
随着上海天文台主导的ET卫星发射升空，预计将探测到更多的宽轨道巨行星，进一步理解巨行星的形成机制。
该研究的第一作者为上海天文台研究生潘俊鹏，通讯作者是李亚平研究员，该工作得到国家自然基金项目和上海市自然科学基金支持。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae261a
其他相关文章：
科学联系人：李亚平，liyp@shao.ac.cn
附件下载：
