一直以来,寻找适宜人类居住的第二家园是探索宇宙的终极梦想之一。2016年,天文学家在距离我们太阳系最近的恒星比邻星周围发现了一颗位于宜居带的类地行星比邻星b,其最小质量为1.3个地球质量,公转周期仅为11.2天。2020年12月,研究人员从比邻星方向接收到神秘的无线电信号;2022年2月,天文学家又在比邻星系统中发现了第三颗行星——比邻星d。
天文学家将行星系统中适合生命的行星轨道范围称为“宜居带”。这个范围主要取决于中央恒星的类型和辐射强度,行星表面平均温度能够使液态水稳定存在,因此可能拥有与地球类似的生命存在的条件。太阳系的宜居带大致分布在金星轨道与火星轨道之间,而地球刚好在其中。2007年发现的Gliese 581c被认为是人类发现的第一颗在宜居带的类地行星。
自从1995年天文学家发现第一颗太阳系外围绕主序恒星的类木行星以来,目前已探测到近5000颗系外行星,这些行星大小不一形态各异,包括热木星、亚海王星、岩石行星、超级地球等类型,与我们所熟悉的太阳系大行星迥然不同。在发现的行星中,大部分又位于红矮星周围。这让天文学家对红矮星周围宜居行星的搜寻格外上心。
红矮星为M型主序星,通常质量约为0.075–0.6倍太阳质量,表面温度低于3500 K。在宇宙中大约73%的恒星为红矮星,例如前面提到的比邻星就是一颗红矮星。由于红矮星有效温度低、宜居带距离主星近,质量和体积小,因此红矮星周围的行星易于被凌星法和视向速度法探测到。
近期,中国科学院紫金山天文台研究团队一项基于行星形成的模拟研究,揭示了红矮星周围宜居行星的可能形成机制。红矮星周围类地行星的样本统计分析表明,大部分行星非常接近其母星,距离为0.01-0.2 AU,因此很多情况下它们处于潮汐锁定状态,即这些的行星自转周期和公转周期一样。
通常有两种理论来解释类地行星的形成:一种理论认为目前观测到的类地行星基本上在当地生成,其轨道与初始轨道几乎相同,即为所谓的原位形成机制,相当于是“土著”行星。还有一种理论认为,这些行星最初并不是在当前观测的轨道位置,而是由于行星在形成过程中与原行星盘发生角动量交换,从而引起行星发生向内迁移或向外迁移的过程,即为轨道迁移机制,也就是“移民”行星。
科研团队进一步揭示了红矮星系统中类地行星的生成率,例如原位形成模型中可平均生成7.77个质量约为1.23 M⊕的行星;而向内迁移与反向迁移机制可分别平均产生2.55个质量约为3.76 M⊕和2.85个质量约为3.01 M⊕的类地行星。
研究人员从行星质量、轨道半长径和偏心率分布等方面将模拟结果和实际观测样本进行分析对比,发现反向迁移机制形成的行星分布与观测数据具有较高的吻合度,揭示了红矮星周围宜居类地行星可能的形成机制。