天文学家展示Tatooine行星如何在双星系统中形成而不被摧毁

他们研究了一种双星系统，其中较小的伴星约每100年绕较大母星运行一次，我们最近的邻居半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)就是这样一个系统的例子。

来自剑桥大学应用数学和理论物理系的论文合著者Roman Rafikov博士说道：“这样的一个系统相当于天王星所在的第二个太阳，这将使我们的太阳系看起来非常不同。”

Rafikov和他的合著者、马克斯·普朗克地外物理研究所的Kedron Silsbee博士发现，要在这些系统中形成行星，星子–围绕年轻恒星运行的行星构建块–需要从直径至少10公里开始，而围绕恒星的尘埃、冰和气体组成的圆盘–行星在其中形成–需要呈现相对圆形。

这项研究将发表在《Astronomy and Astrophysics》上，它将双星行星形成的研究提升到了一个新的现实水平，另外还解释了这类行星是如何形成的。

据信，行星的形成始于围绕一颗年轻恒星运行的原行星盘–主要由氢、氦、冰和尘埃的微小粒子组成。根据目前关于行星形成的主要理论，即核心吸积理论，尘埃粒子相互粘在一起并最终形成越来越大的固体。如果这个过程提前停止，结果可能是一颗类似地球的岩石行星。如果这颗行星变得比地球还大，那么它的引力就足以从圆盘中捕获大量气体从而形成像木星一样的气体巨行星。

Rafikov说道：“这个理论对于围绕单一恒星形成的行星系来说是有意义的，但在双星系统中行星的形成就更复杂了，因为伴星就像一个巨大的打蛋器，动态地刺激原行星盘。”

“在一个只有一颗恒星的系统中，圆盘中的粒子以低速运动，所以当它们碰撞时很容易粘在一起并让它们生长，”Silsbee表示，“但由于双星伴星的引力‘打蛋器’效应，那里的固体粒子以更高的速度相互碰撞。所以当它们碰撞时，它们会互相摧毁。”

许多系外行星已经在双星系统中被发现，所以问题是它们是如何到达那里的。一些天文学家甚至认为，这些行星可能是漂浮在星际空间中，然后被双星的引力吸进去的。

Rafikov和Silsbee进行了一系列模拟来帮助解决这个谜题。他们开发了一个详细的二进制行星生长数学模型，其使用了现实的物理输入并解释了一些经常被忽视的过程如气体盘对其内部星子运动的引力效应。

“已知圆盘通过气体阻力直接影响星子，就像一种风，”Silsbee说道，“几年前，我们意识到，除了气体阻力之外，圆盘本身的引力还极大地改变了星子的动力学，在某些情况下，即使有伴星造成的引力扰动，行星也能形成。”

Rafikov指出：“我们建立的模型将这项工作和之前的其他工作结合在一起从而来检验行星形成理论。”

他们的模型发现，行星可以在像半人马座阿尔法星这样的双星系统中形成，前提是微星的直径至少为10公里，原行星盘本身接近圆形，没有很大的不规则性。当这些条件满足时，星盘某些部分的微星最终相对彼此移动得足够慢，以至于它们粘在一起而不是互相破坏。

这些发现支持了微星形成的一种特殊机制，被称为流动不稳定性，这是行星形成过程的一个组成部分。这种不稳定性是一种集体效应，包括气体中存在的许多固体粒子，它能集中鹅卵石到卵石大小的尘埃颗粒并产生一些大的微星，而这些微星能在大多数碰撞中存活下来。

这项工作的结果为双星和单星周围的行星形成理论以及对双星中原行星盘的流体动力学模拟提供了重要的见解。未来，该模型还可以用来解释Tatooine行星的起源–围绕双星的两个组成部分运行的系外行星。