那些拥有行星的恒星
John A. Johnson　文　Shea　编译
	根据质量、组成和其他特性，拥有行星的恒星为行星形成和演化提供了重要的线索，而且它们还指明了令人激动的新行星的发现之路。 　　如果你是一个正在寻找木星质量行星的外星天文学家，那么太阳不会是一个理想的搜寻场所。在富含重元素的质量更大的恒星周围寻找成功的几率则要高得多。但是如果你对较小的岩质行星感兴趣，那么在红（M型）矮星周围寻找则是最佳的策略。在搜寻行星的过程中，恒星的类型极为重要，恒星和行星特性间的关系为行星形成提供了重要的线索。 　　诸如我这样的行星猎人已经发现，找到木星质量行星的概率强烈地依赖于两个基本的恒星特性：质量和组成。在搜寻巨行星的过程中，像天狼星这样具有2个太阳质量的A型星将会是比像质量只有太阳15%的巴纳德星这样小型M型矮星好得多的目标。像巨蟹55这样和太阳相似但铁含量是太阳2倍的极富铁恒星其拥有巨行星的可能性则比像孔雀γ这样仅具有太阳含铁量10%的贫铁恒星高出大约20倍。 　　富金属（对于天文学家而言，比氢和氦重的元素都被称为“金属”）恒星周围巨行星的普遍存在已经得到了确认。1997年，仅在天文学家在一颗类太阳恒星周围发现首颗外星行星（飞马51b）2年后，他们便注意到拥有行星的恒星倾向于包含比太阳更多的铁。包括Debra Fischer（现在在美国耶鲁大学）和她的“下2000颗恒星”小组在内，几个行星搜寻小组立即利用了这一相关性，把他们的枪口对准了富金属恒星。这一蓄意的偏向导致了热类木星发现率的骤升。 　　不过，行星及其宿主恒星之间还存在其他关系，它们为行星形成过程提供了线索，由此可以使我们进一步了解太阳系的起源。恒星和行星形成自同一片气体和尘埃云，因此我们今天所见的恒星都是很久以前进行的行星形成过程的历史见证人。通过研究行星特性和恒星物理特征间的相关性，我们可以发展出更好的模型来描述行星是如何形成以及行星轨道是如何演化的。 [图片说明]：飞马51b的艺术概念图。版权：ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger。 退休的恒星 　　虽然行星－金属性关系已知超过十了年，但行星频率对恒星质量的依赖性直到最近才开始细致研究。这一推迟是由于大质量恒星因其高速自转而带来的困难所造成的。高速转动的天体会显示出较宽的谱线，这使得测量由于公转行星所产生的微小多普勒效应极为困难。但是我的同事和我通过利用恒星演化中的特定效应揭示出了围绕大质量恒星公转的行星族群。 　　主序星会不停地把氢聚变成更重的元素。当恒星中的氢耗尽时，它会脱离主序进入“退休”状态。这颗恒星会膨胀、冷却并放慢自转的速度。这些变化对于搜寻行星至关重要，因为高温的恒星只具有稀疏的谱线，高速自转会使得它们变得模糊。恒星演化解决了这两个问题。 　　由于半径膨胀数倍进而具有大得多的发光面积，老年恒星还拥有极为明亮的优势。但是当恒星成为全完成熟的红巨星时，它们巨大而松散的大气就会开始脉动，令行星猎手很难区分由于行星引力造成的恒星运动和恒星大气层中的运动。幸运的是 ，“超级木星”会导致其宿主恒星大幅度摆动，因此它们可以从噪音中凸显出来。Bun'ei Sato（日本东京理工学院）、Andrzej Niedielski（美国宾夕法尼亚州立大学）和其他人在K型巨星周围发现了大约30颗超级木星。天空中最亮的行星宿主恒星中有一些是K型巨星，这其中包括了北河三、仙王γ和天龙ι。 　　就在恒星耗尽氢之后、成为红巨星之前，它们会经历一个短暂的“黄金”阶段。期间它们会冷却并缓慢自转，但对于探测大范围质量的行星而言它们依然足够稳定。这些被称为亚巨星的恒星中有一些具有较大的质量，但却具有类太阳恒星的多普勒稳定性。我的研究集中在搜寻和研究大质量亚巨星周围的行星上，我们在“退休的A型恒星”周围又另外发现了几十颗巨行星——质量最低为木星的一半。亚巨星和数量更多、质量更大的红巨星一起退去了笼罩在大质量（A型）恒星周围的面纱，揭示出了大量的行星。 行星形成的线索 　　多普勒巡天对不同恒星周围大约3个天文单位之内的巨行星进行了一次接近完全的普查。在最近的一项研究中，我的合作者和我发现，在16颗（在质量和金属性上）和太阳类似的恒星中大约有1颗会拥有1颗或者多颗木星质量的行星。但在质量为太阳2倍的A型恒星周围，发现气态巨星的概率则上升到了1/6。这一关键的发现对于行星形成具有重要的含义，并帮助指明了通向其他行星的发现之路。 　　现在有两大被接受的巨行星形成模型。其中一个被称为盘不稳定性理论，提出了一个“自上而下”的形成过程。一旦原行星盘中的某个区域超过了临界密度，它就会在自引力下坍缩并快速地形成行星。另一个理论则被称为核心吸积，预言了一个从尘埃和冰颗粒缓慢积聚开始的“自下而上”的行星形成过程。原行星核最终会获得大量的气体，形成一个具有固态核心的气态巨行星。 　　这两个理论就行星形成对原行星盘特性的敏感性作出了极为不同的预言。核心吸积模型预言了对构建行星的重元素量的强依赖性。在大质量、富金属的盘中，尘埃和其他固体的丰度应该会上升，增大了行星形成的效率。但是盘不稳定性过程预言，所有质量的盘应该会以接近的效率形成行星，因为在一个盘中出现密度过高情况的可能性主要取决于恒星质量和盘的质量之比。如果盘的质量随恒星的质量紧密上升，那么这个比值将保持不变。 　　由于恒星和它行星形成自同一个盘中的物质，于是恒星今天的特性就提供了一座连接遥远过去行星形成过程的桥梁。包含了更多重元素的大质量恒星应该在很久以前拥有一个质量大且富含尘埃的盘。观测到的行星和恒星质量以及金属含量之间的依赖关系强烈地支持核心吸积过程是大自然形成我们今天所发现行星的最普遍途径。 高温恒星和倾斜轨道 　　行星特性随恒星质量的变化也为行星轨道的演化提供了线索。例如，外星行星往往具有比太阳系行星偏心率大得多（更椭圆）的轨道，同时大约有100颗的气态巨行星具有半径很小的轨道，被称为热类木星。行星是如何具有大椭圆轨道以及热类木星是如何迁移入这些轨道的仍是一个谜。不过，通过测量外星行星轨道相对于其宿主恒星自转轴的夹角，天文学家正在发现重要的证据和许多惊喜。 　　太阳系行星都以相同的方向公转并且几乎都位于和太阳自转轴垂直的平面内，这意味着太阳系呈现出了自转－轨道指向的高度一致性。当天文学家首次开始测量热类木星的自转－轨道夹角时，它们发现这些行星的轨道平面也和其宿主恒星的赤道平面重合。这使得科学家得出结论，任何使得行星迁移到近距轨道的机制必须要能维持自转－轨道指向。 　　但是，这一热类木星演化的温和图像最近被发现的具有大倾角的15颗热类木星所打破。事实上，这些行星中的一些甚至是以和它们宿主恒星自转方向相反的方向逆行绕转的。Joshua Winn（美国麻省理工）、Dan Fabrycky（美国哈佛－史密松天体物理中心）、Simon Albrecht（美国麻省理工）和我自此发现，小质量、低温恒星倾向于具有自转－轨道指向一致的行星，而大质量、高温恒星则倾向于具有高轨道倾角的行星。 　　出现这两种情况的原因可能和恒星结构随质量的变化有关，而和行星轨道的演化无关。近距离观看太阳会揭示出其由于高温物质上升、低温物质下降——对流过程——而起泡、翻腾的表面。这一对流运动层位于相对平静的辐射层上方。根据我们的理论，一颗近距离的行星会通过引力拖拽外围的对流层使之与它一致，而内部的辐射层却不。在这种方式下，小质量恒星的赤道面也许会和行星的轨道面相重合，不过这种重合仅仅是表面上的。 　　另一方面，大质量恒星没有对流层；它们的辐射区一直延伸到恒星表面。如果大部分热类木星具有大倾角轨道，那么这一效应在小质量恒星被抹掉了，而在大质量恒星却得以保留。如果这一理论经受住了观测的进一步考验，那么高温、大质量恒星也许为我们提供了一个清楚地目睹行星形成和演化杂乱无章性质的机会。再一次地，恒星的质量是关键。 小恒星周围的小型行星 　　虽然6颗A型星中大约有1颗会具有1颗木星质量的行星，但50颗M型矮星中才有1颗拥有1颗气态巨行星。尽管红矮星不是寻找像木星和土星这样巨行星的最佳场所，但它们为搜寻小质量行星提供了有利的狩猎场。 　　红矮星的质量较小，因此在行星引力的拖拽下会被更加轻易地加速。不幸的是，它们在可见光波段上很暗弱，为获得高分辨率的光谱要使用最大的光学望远镜并耗费大量的时间。Jacob Bean（美国哈佛史密松天体物理中心）及其欧洲的合作者证明在红外波段高精度测量多普勒频移是可能的，他们正在积极地寻找距离太阳最近的小质量恒星周围的小质量行星。 　　红矮星的小尺度也使得它们成为了用凌星方法搜寻外星行星的绝佳目标。从地球上看，由从其前方经过的行星所造成的恒星亮度下降值取决于行星和恒星的投影面积之比。因此，当有一颗行星从恒星前方经过时，半径越小的恒星就会变得越暗，这使得比起太阳大小的恒星在M型矮星周围能更容易地探测到较小的行星。使用这一方法，David Charbonneau（美国哈佛史密松天体物理中心）和他的同事发现了凌星的超级地球Gliese 1214b。 　　另一个搜寻行星的方法是利用爱因斯坦的广义相对论。大质量天体会弯曲它们周围的时空，这一弯曲会像透镜一样放大背景恒星发出的光线。就如同恒星可以弯曲光线一样，行星也可以。微引力透镜效应需要前景和背景恒星非常精确的排列。由于M型矮星占据了我们银河系中总恒星数的大约85%，它们及其行星是最有可能充当透镜的天体。微引力透镜效应巡天对于以几个天文单位围绕其宿主恒星转动的小质量行星最为灵敏。诸如Andrew Gould（美国俄亥俄州立大学）和Subo Dong（美国高等研究所）这样的微引力透镜行星猎人已经发现，3颗M型矮星中约有1颗会拥有长周期、海王星质量的行星。 恒星质量是关键 　　行星研究紧密地与恒星研究相连。夜空中的恒星也许会拥有它们自己的行星系统，恒星的特性要么会帮助、要么会干扰我们发现并了解外星行星。不过，这里没有普适的规则。不同的恒星对于发现外星行星提供了不同的机会。发现行星的过程要求深入了解哪一类恒星会是你手中科学问题的最佳目标。 　　最后，恒星和行星间的关系给予了我们启示。相对于它邻近的恒星，太阳在质量或者金属性上都没有特别的异常之处。因此下一次当你仰望夜空并看到木星闪耀时，请记住你是多么得幸运能如此近距离地看到这样一颗大质量行星。

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