太阳系外行星系统构型的形成与动力学

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1、太阳系外行星系统构型的形成与动力学(博士学位论文)作者姓名学科专业研究方向指导教师学位授予单位：王素：天体测量与天体力学：行星系统动力学：周济林教授：南京大学2010年5月ConfigurationFormationandDynamicsofExoplanetSystemsThesisSubmittedtoNanjingUniversityforthedegreeofPh．DbyWangSu(DepartmentofAstronomy)ThesisSupervisor：ProfessorZhouJi-LinMay,2010声明本

2、人郑重声明：所呈交的博士学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。作者签名：兰蠡．^上．—_

3、L一刖百行星系统的研究是人类认识宇宙的一个重要过程。自Kant和Laplace在十八世纪提出太阳星云理论以来，太阳系一直是行星系统唯一的范例。1995年，人类发现第一个太阳系外主序星中行星系统，至今共发现了四百多颗太阳系外行星，其中包括超过四十个多行星系统。这

4、些发现极大推动了行星系统动力学与形成理论的研究。近年来国际上行星形成理论的研究重点包括行星胚胎或类木行星在气体盘中的轨道迁移，类地行星尤其是可居住行星的存在性等，尤其在行星的轨道迁移理论、偏心率激发机制问题上有了许多重要进展。本论文主要从动力学角度研究了行星系统的一些可能普遍存在构型的形成机制，包括偏心率一近点角平面上的近分界线运动、类似太阳系木星一土星构型、类似Laplace共振的形成等。针对目前太阳系外行星存在的共同特点即偏心率一近点角平面上的近分界线运动构型，发现行星之间的散射过程是该构型产生的重要触发机制之一。应用到类似

5、太阳系木星一土星构型的OGLE．06—109L系统中，我们得到了该系统轨道半长径和偏心率构型可能的形成过程。通过对可能经历过类似Laplace共振的HD40307系统的研究，我们得到了合适的迁移速度可以形成该系统当前的构型。在以上研究的基础上，最后我们关注矮星系统中可居住行星形成和存在的条件，以OGLE一06—109L系统为例得到了可居住行星的分布特点和要求。摘要本文研究了太阳系外多行星系统形成过程中几个重要因素和阶段对系统构型的影响，包括行星之间的散射过程，轨道收敛迁移过程中的共振俘获以及发散迁移过程中的共振穿越，小质量行星的

6、第一类轨道迁移等。这些过程最终将决定系统中行星的轨道半长径和偏心率的构型，是否存在类地行星和可居住行星等现象。主要研究了三种构型的形成过程：(1)偏心率一近点角平面上的近分界线运动构型是目前观测到的系外多行星系统中主要的动力学特点之一，我们发现系统形成过程中行星与行星胚胎或者行星之间的散射机制是该动力学特点的重要触发机制之一。(2)OGLE．06．109L系统中两行星的构型与太阳系中木星．土星的构型相似，尤其是半长径和偏心率，这两个系统在形成中可能经历了相同的过程。我们研究了形成该系统偏心率构型的三种可能机制：行星收敛迁移中的平

7、运动共振俘获、行星之间的散射过程、行星发散迁移中的平运动共振穿越。揭示了三种机制下形成的行星最终构型的不同特征，如：平运动共振俘获最后两行星会处于共振中；散射过程将会导致偏心率的激发，并使行星对的构型处于近分界线运动中，行星偏心率演化周期为系统长期摄动周期；共振穿越后行星的偏心率演化周期与最近穿越过的平运动共振的周期相近。目前的观测还不能完全确定哪一种机制在该系统中起主导作用，有待后续观测的检验。(3)以HD40307系统为例研究了三颗行星处于近l：2：4共振(Laplace共振)轨道构型的形成机制。该系统中三颗行星均为短周期的

8、大质量类地行星。我们提出，它们是在雪线附近形成后通过第一类轨道迁移到内部区域的，而为了形成其轨道周期的近1：2：4的构型，模拟表明第一类轨道迁移比较合理的速度是目前线性估计结果的0．1倍。三个行星在共振中进一步迁移，到靠近中心天体位置时，行星在与恒星之间的潮汐作用下最终脱离共振后演化到目前观测的位置。最后，在考虑第一类轨道迁移对类地行星形成的影响下，我们对以OGLE一06—109L系统为代表的矮星系统中类地行星尤其是可居住行星的分布进行了研究。结果显示，根据以后观测可能得到类地行星和可居住行星的质量和含水量等信息，就可以推知行星

9、轨道迁移过程中速度的快慢以及是否经历过碰撞合并过程。摘要关键词：多行星系统，偏心率一近点角平面上的近分界线运动，轨道迁移，第一类轨道迁移速度，OGLE一06．109L系统，HD40307系统，行星散射，平运动共振，共振穿越，可居住行星，含水量II——一垒垒!堡塑