共振构型对行星系统稳定性及其探测的影响

论文摘要

长期以来,太阳系行星都是人类研究行星科学的唯一对象。而从1988年发现第一颗系外行星到现在,已经有近4000颗系外行星被发现并确认。这些发现向我们展示了一个丰富多彩的行星世界,周期短到几天的热木星,有伴星的温木星,质量在几个到十几个地球质量之间的超级地球,以及构型紧凑且在共振的多行星系统,无不体现着行星形成历史的多样性,为行星科学的研究提供了丰富的样本。行星形成机制一般认为有两种,本地形成和迁移。而共振构型往往被认为是迁移机制的一种体现。本文通过对凌星时刻变化在行星系统参数刻画上的可行性,动力学不稳定性与周期比的关系以及天体测量法探测共振行星系统的能力这几个问题的分析,讨论了共振构型对行星系统的刻画,稳定性以及探测的影响。第一章,我们简要介绍了太阳系内和系外行星的发现历史以及主要探测手段,比较了系内和系外行星构型的异同以及各自的稳定性。我们着重介绍了三种特殊的系外行星-热木星,温木星,超级地球和类海王星行星,分析了其形成的原因和特点。此外,我们对当前关于开普勒行星的共振构型和行星出现率的研究进行了总结。第二章,我们探讨了利用行星凌星时刻变化数据刻画近共振行星系统构型和限制参数的可行性。我们采用马尔可夫链蒙特卡洛方法（MCMC）对一些温木星系统的凌星时刻变化进行了拟合,并基于质量的拟合结果确认了其中三颗温木星候选体为真实的木星。我们对温木星和热木星的半径和有效温度之间的关系进行了分析,并且发现温木星和热木星可以由有效温度Teff,c=1123.7±3.3K区分。除此之外,基于凌星时刻得到的系统参数,我们对Kepler-9 b的凌星时刻进行了预测,并成功捕捉到了其凌星信号。第三章,我们检测了动力学不稳定性对开普勒行星系统周期比分布的影响。我们采用非等间隔分布,非等质量的行星系统进行N体数值模拟。模拟结果显示多行星系统的不稳定时标下限由系统中的最小相互距离决定,且在积分时间内呈现不稳定性的行星系统中大多存在周期比<1.33的行星对。而在最后的周期比分布中,我们发现一阶共振附近存在不对称结构,与观测特点一致。通过比较观测得到的周期比分布和数值模拟得到的周期比分布,我们发现观测上行星对在周期比>2.1的地方有缺失,可能是由行星的迁移机制造成或者是行星形成机制的选择性结果。此外,通过对比观测和模拟结果中周期比在<1.33处的分布,我们得到了多行星系统在盘消散后偏心率的上限。最后,我们基于数值模拟的结果对行星系统的“紧凑”性进行了定义。第四章,我们讨论了在uas精度下,天体测量法探测单行星系统和共振行星系统的能力。相较于其他主要观测手段,天体测量法可以对行星轨道进行三维刻画,能给观测者提供更加完整的行星系统参数。我们假设了探测器的观测模式,人为加入不同观测误差,生成模拟的观测数据。然后我们分析这些观测数据,看是否能从里面提取出行星信号。我们发现,无论是单行星系统还是共振行星系统,行星信号探测对信噪比（S/N）的要求均为S/N>3。对于共振行星系统,我们分别考虑了共振木星系统和共振超级地球系统,并且考虑了 1:2,2:3和3:4这三种共振情形。如果要使两颗行星的共振构型被正确反演,则需要更高信噪比。受到谐波信号的影响,1:2共振的反演概率相较于2:3和3:4共振更低。共振构型被反演的概率与共振强度和偏心率等因素相关。随后我们预测了银河系内能够被天体测量法探测到的共振行星对数目,并且讨论了不同采样方法对行星探测的影响。第五章,我们对前面几章的内容进行了总结和讨论,并且对系外行星的发展方向和未来进行了展望。基于当前的观测手段和样本,很多系外行星性质的研究都来源于统计结果。未来利用JWST和WFIRST等望远镜对单个行星系统进行细致刻画将会是一个重要的发展方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 从地心说到系外行星
•   1.2 太阳系天体
•     1.2.1 太阳系基本构型
•     1.2.2 太阳系内的共振构型
•     1.2.3 太阳系内的动力学不稳定性
•   1.3 太阳系外行星
•     1.3.1 特殊的系外行星构型
•     1.3.2 系外行星中的共振
•     1.3.3 系外行星的出现概率
•     1.3.4 系外行星系统的动力学不稳定性
•   1.4 本文结构
• 2 利用行星凌星时刻变化数据刻画行星系统参数
•   2.1 研究背景
•   2.2 行星凌星时刻变化
•   2.3 温木星系统参数的确定
•     2.3.1 温木星系统研究
•     2.3.2 研究方法介绍
•     2.3.3 计算结果分析
•     2.3.4 巨行星半径-有效温度关系
•     2.3.5 金属丰度分析
•   2.4 行星系统凌星时刻的预报
•   2.5 小结
• 3 动力学不稳定性及其对行星系统构型的影响
•   3.1 研究背景
•   3.2 数值模拟方法及初始条件
•   3.3 多行星系统的稳定性判据
•     3.3.1 位于1:1平运动共振的行星对
•     3.3.2 周期比大于1.1的行星对的稳定性
•   3.4 周期比分布
•     3.4.1 周期比在一阶共振附近的不对称分布
•     3.4.2 行星系统周期比分布的概率密度函数
•   3.5 偏心率与轨道倾角的演化
•   3.6 小结
• 4 天体测量法探测系外共振行星系统
•   4.1 研究背景
•   4.2 天体测量法探测系外行星过程
•     4.2.1 天体测量数据模拟
•     4.2.2 根据天体测量数据拟合行星系统参数
•   4.3 信噪比对探测行星概率的影响
•   4.4 天体测量法探测共振行星系统
•     4.4.1 共振行星系统的模拟
•     4.4.2 天体测量法探测并反演共振轨道的概率
•     4.4.3 影响天体测量法探测共振轨道概率的因素
•   4.5 共振系统与近共振系统的FAP分析
•   4.6 对探测到共振行星对的数目预测
•   4.7 均匀和非均匀采样对行星探测概率的影响
•   4.8 小结
• 5 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 简历与科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吴东红

导师: 周济林

关键词: 系外行星,动力学稳定性,轨道共振

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 南京大学

分类号: P15

总页数: 152

文件大小: 11878K

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