研究揭示类似塔图因的行星为何如此稀少

美国 - 艾赫巴里通讯社

研究揭示类似塔图因的行星为何如此稀少

《星球大战》系列的粉丝们一定会记得卢克·天行者的故乡、标志性的沙漠行星塔图因，这是一个以其双日而闻名的世界。虽然这个电影般的景象吸引了人们的想象，但在我们银河系中绕双星运行的行星的现实，远比人们预期的要少见。加州大学伯克利分校和贝鲁特美国大学的天体物理学家最近进行的一项开创性研究，为这种宇宙稀缺性提供了一个令人信服的解释，并将责任归咎于阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论。

双星系统，即两颗恒星围绕一个共同的质心运行，其数量惊人地多。目前的估计表明，银河系中所有恒星系统中高达三分之一到二分之一是双星或多星系统。鉴于这种普遍性，天文学家们曾预计会在这些系统中发现大量的系外行星。然而，系外行星的统计数据却讲述了一个不同的故事。在迄今为止已确认发现的约 6,100 颗系外行星中，只有 14 颗已知绕双星运行——这个数字被天体物理学家称为“宇宙沙漠”。这种显著的差异促使人们深入研究在如此复杂的引力环境中行星生存的动力学。

这项题为“被捕获于离心共振和双星系统周围行星的消亡”的开创性研究，由加州大学伯克利分校的米勒博士后研究员穆罕默德·法哈特（Mohammad Farhat）与贝鲁特美国大学物理学教授吉哈德·图马（Jihad Touma）合作领导。他们的研究成果发表在享有盛誉的《天体物理学杂志通讯》（*The Astrophysical Journal Letters*）上，深入探讨了导致双星系统中行星不稳定并最终消失的复杂机制，特别是那些轨道靠近的行星。

我们目前对系外行星的大部分了解来自于开普勒（Kepler）和TESS等太空望远镜，它们主要采用凌星法。这项技术通过观测行星从恒星前方经过时恒星亮度的轻微下降来探测行星。虽然开普勒记录了约 3,000 颗食双星，但围绕这些系统运行的已确认行星数量远低于预期。根据在类似太阳的恒星周围发现的大质量行星的频率（约 10%），天文学家曾预测双星周围会有数百颗行星。然而，只确定了 47 个候选行星，其中只有 14 个最终被确认为凌星环双星行星。

法哈特强调了严峻的现实：“一般来说，环双星行星非常稀少，而在轨道周期为七天或更短的双星周围，则是一片绝对的荒漠。”他强调，紧密双星系统，通常被观测为食双星，正是人们最期待找到行星的系统，但它们却明显缺失。

法哈特和图马开发的理论框架建立在早期对行星系统动力学进行的研究之上。图马教授十多年前开始探索双黑洞和双星对行星轨道产生的引力影响。他对系外行星普查的后续分析使他推测，共同轨道运行的恒星之间的引力之舞，特别是当它们螺旋式地相互靠近时，可能是导致紧密双星周围“消失”行星的原因。

他们解释的核心是爱因斯坦于 1915 年首次提出的广义相对论（GR）。GR 通过将引力描述为由质量和能量引起的时空曲率，而不是一种力，从而彻底改变了我们对引力的理解。该理论成功解释了各种天文异常现象，例如水星轨道近日点的进动，这是一个经典牛顿物理学无法完全解释的现象。GR 的原理普遍适用，包括双星系统内复杂的引力相互作用。

在大多数双星系统中，两颗质量相当的恒星以椭圆轨道相互绕行。天文学家推测，这些系统通常在恒星最初相距遥远时形成，但它们形成过程中与周围气体和尘埃的引力相互作用可能导致它们在数十亿年间逐渐靠近。这个过程会引起潮汐力，进一步精炼它们的轨道并将它们拉得更近。

随着这些恒星的靠近，广义相对论预测的效应变得越来越显著。研究表明，近距离的双星可能会进入一种称为“离心共振”（apsidal resonance）的状态。当恒星椭圆轨道的进动（旋转）速率与其轨道周期同步时，就会发生这种情况。在这种状态下，任何附近行星所经历的引力扰动都会大大增强。对于绕双星非常近，特别是轨道周期短（少于七天）的行星来说，这种共振会导致极端的轨道不稳定性。

这对环双星行星的后果是严重的。它们的轨道变得如此混乱，以至于在很长一段时间内保持稳定几乎是不可能的。该研究认为，处于这种不稳定轨道上的行星要么被猛烈地逐出系统，要么被引向其中一颗主星而被吞噬，要么被强大的潮汐力撕裂。这种动态过程有效地充当了行星的“毁灭”机制，解释了为什么在紧密双星周围观察到的天体“沙漠”如此之深，以及为什么类似塔图因的世界，如果它们以这种构型存在，将难以长久存在。

这项研究不仅为环双星行星的稀少性提供了合理的解释，还加深了我们对恒星系统演化以及相对论效应对天体力学深刻影响的理解。它强调了理论物理学在解开宇宙奥秘方面的力量。

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