天文学家和科幻小说迷都很高兴地发现行星可以存在于双星周围的稳定轨道上。今天的文章从一个新的角度——确切地说是90度角——来看待环绕双星行星的行星。

另一种塔图因:行星可以垂直于双星系统形成吗?

大多数环绕二进制圆盘(橙色)与双星的轨道平面对齐(例如,AK Sco,右),但我们也发现了垂直于轨道平面的圆盘(例如,HD 98800 B,左)。在这里,为了清晰起见,双星系统的轨道被绘制成白色。点击放大。[ALMA(ESO/NAOJ/NRAO)、I. Czekala和G. Kennedy;NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello]

极端角度的行星

在双星周围观测到的绝大多数圆盘都与双星的轨道平面对齐,因为角动量往往在气体云坍缩形成恒星系统及其周围的原行星盘时保守。然而,最近的观测发现,具有细长,偏心轨道的双星系统可以保持垂直于双星系统轨道平面的原行星盘。

这些观测结果表明,垂直的环周双星行星存在,但天文学家尚未发现任何行星。关于垂直行星形成的可能性,模拟可以告诉我们什么,特别是靠近其母星的岩石状行星?

模拟形成中的系统

为了探索垂直圆盘相对于其他配置的行星形成潜力,Anna Childs和Rebecca Martin(内华达大学拉斯维加斯分校)模拟了三种涉及环双星盘的场景:

  1. 另一种塔图因:行星可以垂直于双星系统形成吗?

    圆盘材料的分布与偏心垂直 (EP)、圆形共面 (CC) 和偏心共面 (EC) 方案的系统质心距离的函数关系。当圆盘的方向垂直于双星的轨道平面时,会发现更多靠近双星的物质。[Childs & Martin 2021]

    在与具有圆形轨道的二元对相同的平面上(离心率e=0)

  2. 与具有偏心轨道的双星对位于同一平面上(e=0.8)
  3. 垂直于具有偏心轨道的二元对的平面(e= 0.8)

Childs和Martin首先进行了流体动力学模拟,以确定在这三种情况下,在行星形成的早期阶段,盘状物质将如何分布。然后,作者使用这些结果来指导在模拟盘内放置26个火星大小的物体和260个月球大小的物体 – 这是在我们的太阳系中形成类地行星所必需的质量和大小分布。在最终的N体模拟中,作者让这些微行星松开,并观察了它们的行星形成之旅。

另一种塔图因:行星可以垂直于双星系统形成吗?

模拟粒子轨道,表示在10,000年(上)和700万年后(下图)后垂直于偏心双星轨道的行星形成盘的情况。[改编自Childs & Martin 2021]

比您想象的更有可能

在七百万年的模拟年中,羽翼未丰的行星系统中的物质与主星碰撞,聚集在一起形成更大的天体,或者完全从系统中弹出。结果呢?垂直于偏心双星轨道平面的圆盘比与双星轨道位于同一平面上的圆盘形成的行星更多

平均而言,垂直盘形成4.8颗类地行星,而共面盘仅形成3.4颗。这种差异可能是由于二进制施加到共面情况下的圆盘的扭矩增加 – 更大的扭矩意味着更多的材料从圆盘中弹出。这两种情况都没有像圆形共面情况那样形成那么多的类地行星,但很明显,近距离的岩石行星可以存在于垂直于其宿主双星系统的轨道上。即使考虑到广义相对论的复杂影响,导致偏心双星系统随着时间的推移而进动,垂直系统仍然保留了它的类地行星。

Childs和Martin指出,用目前的技术探测这种配置的行星是困难的,但并非不可能 – 希望发现就在眼前!

引文

“极地地球环双行星的形成”,Anna C. Childs和Rebecca G. Martin 2021 ApJL 920 L8。doi:10.3847/2041-8213/ac2957