近期，《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》发表了中国科学院紫金山天文台研究成果，该项工作基于行星形成的模拟研究，揭示了红矮星周围的宜居行星在原行星盘中的形成机制。
探索地球以外的宜居行星（即地球2.0）是天文学的基础研究前沿，相关研究将回答“地球是否唯一”以及“行星如何成为生命摇篮”等重大科学问题。目前Kepler和TESS等空间望远镜发现了3300多颗系外行星，但探测到红矮星周围的宜居类地行星仅为38颗。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（AU为天文单位），这意味着由多颗类地行星组成的行星系统轨道分布十分紧致（见图 1）。那么红矮星周围的类地行星究竟是怎样形成的？每个红矮星系统平均拥有多少颗宜居行星？近邻类太阳型恒星附近是否存在像地球一样的宜居行星？
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。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（反向迁移）的过程，即为轨道迁移机制。因此基于不同的原行星盘模型及行星形成的理论，可深入探究红矮星附近类地行星的形成演化历史。
图1 红矮星周围低质量行星分布
研究人员基于行星形成的数值模拟发现，在原位形成机制中行星仅能吸积附近几个希尔半径内原行星盘的物质，但由于缺乏含水物质的传输，因此导致形成的行星一般不具有宜居性。不同的是，迁移机制下的原行星，在其迁移中可吸积较多星子而生长成质量更大的类地行星。在向内迁移模型中，最终观察到所形成的超短周期类地行星分布在距离红矮星0.01-0.03 AU 内。而反向迁移机制中则考虑了原行星盘不同的加热机制，在盘内侧行星迁移方向发生翻转而向外侧迁移，最终在黏性加热与辐射加热的过渡区域附近停止迁移，该机制可解释红矮星周围类地行星的轨道分布特征（图 2），研究发现在宜居区内形成的行星大多含有约10%的水，因此这些行星很可能具有宜居性。
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⊕（M⊕为地球质量）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3.76M⊕和2.85个质量约为3.01M⊕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。
图2 不同形成机制下的行星分布与观测样本对比
为深入研究类太阳型恒星和红矮星周围的宜居行星，紫金山天文台提出了“近邻宜居行星巡天计划”（Closeby Habitable Exoplanet Survey, CHES) ，即采用空间高精度天体测量法来发现首颗近邻类太阳型恒星周围具有地球质量的宜居带类地行星。因此，本项工作为探索红矮星宜居行星形成演化提供了新思路，亦为“近邻宜居行星巡天计划”寻找地球2.0提供了理论依据。
研究工作获得中国科学院B类先导专项和国家自然科学基金重点项目等资助。
文章链接：https://doi.org/10.1093/mnras/stab3611
视频链接：“近邻宜居行星巡天计划”
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