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千百年来人们一直相信在地球之外存在和我们一模一样的世界,并渴求有朝一日进行星际旅行来回答人类在宇宙中是否唯一这一问题。随着科技的进步和深空探测的兴起,在太阳系之外寻找和地球类似的行星已经成为人们越来越关心的问题。与其相关的科学研究也已成为诸如天体物理、天体力学、天体化学以及生命科学等学科的前沿和热点。发现更多的系外行星、系统地研究系外行星的形成和演化过程有助于研究太阳系的起源,地球的演化史以及包括生命起源在内的诸多问题。
在过去短短的十几年时间里,系外行星的探测与研究有了很大的进展。自从1995年以来,迄今已发现了300多颗系外行星,包括30多个多行星系统。质量为几个地球质量的“超级地球”也已被发现,科学家甚至对个别系外行星的大气组成和气候条件也进行了研究。遗憾的是,目前尚未发现和地球环境完全一样的系外行星系统,系外行星的大小组成及其轨道特征都是决定是否可能产生生命的关键因素。
针对当前系外行星研究中的热点问题,文中首先回顾了当前主要的系外行星的探测方法,并对它们各自的特点进行了简单分析。然后对已发现的300多颗系外行星进行了统计性研究,包括它们的大小、位置和轨道特征等参数,结果揭示了当前系外行星探测活动的一些特点。利用目前已经发展得比较成熟的数值方法,采用双行星模型对系外类地行星的形成进行了研究,对多行星系统中“振动—循环”共振构型的形成和演化进行了研究,其探讨的主要内容如下:
(1)类地行星的形成
在简单介绍了行星形成的吸积假说之后,采用数值的方法,1)以太阳系为背景,采用双行星(木星、土星)模型,2)并考虑星子的初始偏心率、轨道倾角等要素,对木星内侧类地行星的形成进行了研究,讨论了吸积过程中星子的吸积率和物质的径向传输;3)考虑了土星质量的变化,研究了其对类地行星的吸积形成以及土星外侧系统结构的影响;4)同时在较长的积分时间上对系统的稳定性和动力演化进行了研究。研究中对可居住区富含水物质的类地行星给予了特别的关注。
(2)“振动—循环”共振构型
介绍了“振动—循环”共振构型的观测事实,以及可能的形成机制,着重研究了在行星形成末期,两个大行星位于通约轨道时,被激发的类地行星在演化过程中的碰撞、散射等事件对“振动—循环”共振构型的影响。