我國學者東蘇勃與合作者揭示太陽系外行星軌道

開普勒衛星觀測到的多行星系統與太陽系各類天體的軌道偏心率和傾角符合一個e=(1~2)*i的普遍規律。圖中各點分別代表太陽系8大行星（藍色），海王星外小天體（紅色和淺藍色），小行星帶天體（綠色），各大行星的衛星（左下：黃色，黑色，黃綠色）以及開普勒發現的多行星系統（紫色）。

近期，由北京大學科維理天文與天體物理研究所東蘇勃研究員和南京大學天文與空間科學學院謝基偉副教授共同領導的研究團隊，利用中國科學院國家天文台位於河北省興隆觀測站的郭守敬望遠鏡（即大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，簡稱LAMOST）的數據，揭示了太陽系外行星軌道形狀分布的規律。該項研究成果發表在《美國國家科學院院刊》 (PNAS)上。

直到上世紀90年代，人類對行星的認識還局限在太陽系。太陽系的大行星大多運行在近圓形軌道上（偏心率平均值0.06；偏心率取值0到1之間，值越大則越加偏離圓形），而且這些行星的軌道也幾乎處於同一個平面上（軌道平均相對傾角僅3度左右）。幾百年前，康德和拉普拉斯受到太陽系行星近圓、共面軌道分布規律的啟發，提出了行星系統在盤上誕生的學說。該學說逐步發展成當今行星形成的「標準模型」。

1995年，天文學家利用測量恆星視向速度的方法在類太陽恆星飛馬座51周圍發現了一顆行星，拉開了太陽系外行星研究的序幕。到21世紀初，視向速度法已發現了上百顆行星，它們大多是比地球重數百倍的類木星行星。這些類木星行星的軌道形狀分布出乎人們的意料－－它們大多數運行在有較高偏心率的橢圓軌道上，平均偏心率達到0.3。這給行星形成的「標準模型」帶來了挑戰，成為一個長期以來困擾天文學家的謎題－－太陽系行星的近圓、共面軌道在銀河系中是特殊的還是普遍的？

2009年升空的美國宇航局（NASA）開普勒(Kepler)衛星利用行星穿過恆星表面（即凌星）的方法發現了數千顆行星，其中很多是與地球大小相仿的類地行星。開普勒衛星的發現表明類地行星在銀河系中普遍存在，掀起了太陽系外行星研究的一場革命。但是，僅通過開普勒衛星本身的凌星數據無法直接測量行星的偏心率，測量這些行星的偏心率需要其它觀測手段的輔助。其中一個測量偏心率的方法是用宿主恆星半徑作為「標尺」丈量行星凌星時長的分布，而實施該方法需要得到恆星的精確參數。

位於河北省興隆觀測站的郭守敬望遠鏡

我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）採用獨特的創新設計，能在大視場中同時觀測數千天體的光譜，是世界上光譜獲取能力最高的望遠鏡 （圖一）。近幾年來，LAMOST在開普勒衛星觀測天區得到了數萬條光譜，其中包括數百個行星的宿主恆星。通過與其它高精度方法（星震學和高解析度光譜）的比較論證，研究團隊發現，LAMOST光譜對恆星基本屬性的測量結果非常可靠，達到相當高的精度。他們意識到LAMOST數據可以用來解開太陽系外行星軌道偏心率的謎題。

他們分析了近700顆具有LAMOST宿主恆星參數的開普勒行星樣本，結合LAMOST的光譜數據和開普勒衛星觀測到的凌星光變曲線，得到了這些行星的軌道偏心率和傾角的統計分布規律。他們發現約八成的行星軌道都如同太陽系行星，軌道為近圓形（平均偏心率小於0.1），只有兩成左右的行星偏心率較大（平均值大於0.3），顯著地偏離了圓軌道。他們的研究還發現，開普勒多行星系統的平均軌道偏心率和軌道傾角符合太陽系中的天體的規律，約呈線性關係（圖二）。近圓軌道的普遍性意味著行星形成的「主旋律」應該是「溫和」的，而造成高偏心率軌道的劇烈行星軌道演化過程只是「少數派」。

太陽系外行星軌道偏心率之謎的謎底是：近圓軌道在行星系統中並不特殊，太陽系外行星軌道的形狀分布與太陽系內天體遵循共同的規律，因而太陽系行星系統的軌道形狀分布及其形成、演化過程在銀河系中很可能是相當普遍的。

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