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很長一段時間以來，人們理所當然地認為所有的行星系統都應該與太陽系類似。直到1995年，第一顆主序恒星周圍的系外行星——飛馬座 51b（51 Pegasi b）——被發現，人們對行星系統的認知也隨之被打破。

飛馬座 51b簡直是一個怪胎：它擁有近似木星的質量和大約兩倍于木星的體積，卻運行在距離中心恒星平均只有0.05天文單位（1天文單位約為1.5億公里）的軌道上，比水星與太陽之間的平均距離（約0.4天文單位）還要小得多。它繞恒星公轉一圈僅需要4天多一點，活脫脫一個敏捷胖子的喜感形象。

隨著KEPLER、TESS等空間探測任務的實施，天文學家發現了更多千奇百怪的系外行星系統，如同進入了行星動物園一般。目前人們已經發現了超過4000顆系外行星，其中包含了七百多個多行星系統，這些多行星系統無一與太陽系構型相同。

系外行星的質量和軌道分布^[3]

天體華爾茲——近共振構型

〇行星華爾茲的舞步

共振現象從物理上可以簡單地理解為當物體的固有頻率和外來驅動頻率接近時，震動幅度發生較大變化的現象。它在聲學中表現為“共鳴”，在電學中表現為“諧振”，而在行星系統構型中則表現為受引力影響引起的“軌道共振”，表現為兩個天體在同一系統中運動的軌道周期成簡單整數比。

這種構型在太陽系中比比皆是，比如小行星帶中柯克伍德空隙（Kirkwood Gaps）的位置大部分是與木星發生平運動共振的位置；木星的三顆伽利略衛星（木衛一、木衛二、木衛三）在繞木星的運動中處于1:2:4共振中；冥王星跟海王星的公轉周期比是3:2；等等。

類似的構型同樣存在于系外行星系統中。從同一系統中相鄰兩顆行星的軌道周期比統計分布來看，大量的系外行星之間處于3:2和2:1等共振附近，我們稱之為近共振構型。比如，Kepler-79(KOI-152)系統的三顆行星就構成了近似1:2:4共振構型。

KEPLER系外行星候選體周期比分布^[6]（a）所有候選體;（b）三行星系統候選體

〇行星如何更換舞步節拍

根據經典的行星形成理論，行星由形成于原行星盤中的星子結合而成，其初始軌道并不穩定，隨之在原行星盤中向內遷移，兩兩之間被共振俘獲的概率非常高，從而進入精準共振構型（即軌道周期比為精確的簡單整數比），并逐漸形成穩定的系統。然而，我們觀測到的卻大多是近共振構型，雖然與精準共振構型間的偏差并不大，但這其中卻可能暗藏著關于行星系統演化的核心機密，目前已知的可能包括：

恒星對非常靠近的內部行星的潮汐作用可以將其公轉軌道變圓并拉離共振；
距離中心天體較遠的行星系統中，軌道精準共振后的行星將會攜手同步遷移，其軌道受原行星盤中殘存的氣體的壓制而會變圓從而離開共振；
具有偏心率的外部氣態巨行星的存在將會迫使內部的類地行星之間進入近高階共振。

孤僻的孩子——極短周期行星系統

在迄今發現的系外行星中，有一類非常特別，其軌道周期小于一天，被稱為極短周期行星。這類行星有時又被稱為熱地球（hot Earth），因為它們距離中心恒星太近了。可以想象，其表面必將是一派熔巖肆虐的景象。

軌道周期小于一天的極短周期行星系統分布^[8]

從擁有極短周期行星的多行星系統的構型分布來看，極短周期行星與系統中其他行星之間存在一定的距離。系統中其他行星往往處于一個較為緊致的構型中，而極短周期行星像是一個性格孤僻的孩子，緊緊地依偎在恒星母親身旁。

和母親靠得太近，就免不了受她的強烈的影響，如恒星的潮汐作用、恒星的輻射導致的大氣消散等；和兄弟姐妹距離雖遠，但畢竟是手足情深，相互影響一定少不了，尤其是那些木星質量大小的氣態巨行星的影響。這些相互作用都值得深入研究。

一條藤上的葫蘆娃——緊致多行星系統

隨著系外行星發現數目的增加，多行星系統的數目也在不斷增加。目前已經確認的系統中至少包含了6個六行星系統、1個七行星系統和1個八行星系統。

不同于太陽系的八顆行星散落在幾十個天文單位的范圍內，而在水星內部空無一物的情況，這些系外行星中的多行星系統構型較為緊致。這可能是由于所采用的凌星法更易于發現軌道周期在幾十天內的行星。比如：

〇 Kepler-11，2010年發現，六行星系統。內部5顆行星的質量都在10倍地球質量以下，軌道周期在10天到50天之間。最外邊一顆行星的質量約為幾十倍地球質量，軌道周期為120天。這個系統相當于太陽系的水星軌道內還運行了五顆比地球還大的行星。

〇 TRAPPIST-1，2017年發現，七行星系統。其中最內部行星的軌道周期為1.5天，最外部行星的軌道周期也只有大約20天。七顆行星的質量都在地球質量量級，個頭相對均勻，就像一條藤上的七個葫蘆娃一樣。

TRAPPIST-1系統與太陽系比較 | 圖源：NASA

如此緊致的構型是如何能夠保持穩定運行的呢？穩定的范圍又有多大呢？在什么樣的條件下系統會瓦解呢？這些問題將引導我們一步步揭開緊致構型的真相。

人類如此幸運

隨著系外行星的發現，人類逐漸意識到太陽系的構型居然是如此的與眾不同，又與其它構型存在著千絲萬縷的聯系。

在行星動物園里出現了構型各異的家族：有的靠大哥掌控全局；有的靠大家自覺按照規定的秩序排排坐；有的有戀家的孩子緊緊地依靠著母親，其它的孩子則抱團在外打拼；有的則兄弟姐妹緊緊地靠在一起相互慰藉取暖。

充分了解各類構型的行星系統的異同之處將是我們深入認識太陽系形成與演化的關鍵一步。

參考文獻：

1. Gillon, M. et al. 2017, Nature, 542, 456

2. Lissauer, J. J. et al. 2011, Nature, 470, 53

3. Liu, B. B. & Ji, J. H., 2020, RAA, 20, 164

4. Pan, M. R., Wang, S., & Ji, J. H., 2020, MNRAS, 496, 4688

5. Sahu, K. C., Casertano, S., Bond, et al., 2006, Nature, 443, 534

6. Wang, S. & Ji, J. H., 2014, ApJ, 795, 85

7. Wang, S. et al. 2021, AJ, 161, 77

8. Winn, J. N., Sanchis-Ojeda, R., & Rappaport, S., 2018, NAR, 83, 37

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