【摘 要】
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1995年,人类在主序恒星周围发现第一颗系外行星51 peg b,自此开启了系外行星的观测和研究。至今共有超过4000颗系外行星已经被确认,还发现了数千颗有待进一步确认的行星候选体,这些行星系统分布在我们银河系中一个很广的距离(kpc量级)范围内。通过对观测数据进行统计研究,已发现了很多主序(类太阳)恒星周围行星系统的特征及其和宿主恒星(如质量,金属丰度等)的相关性。但目前对于行星系统和宿主恒星所
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1995年,人类在主序恒星周围发现第一颗系外行星51 peg b,自此开启了系外行星的观测和研究。至今共有超过4000颗系外行星已经被确认,还发现了数千颗有待进一步确认的行星候选体,这些行星系统分布在我们银河系中一个很广的距离(kpc量级)范围内。通过对观测数据进行统计研究,已发现了很多主序(类太阳)恒星周围行星系统的特征及其和宿主恒星(如质量,金属丰度等)的相关性。但目前对于行星系统和宿主恒星所处银河系环境和演化阶段的相关性尚待进一步探索。换而言之,不同银河系环境,不同年龄的系外行星系统存在什么差异呢?非主序恒星(如巨星,白矮星等)周围的行星系统是怎么样的?这些问题的答案尚不十分清楚。近些年,通过测光,天体测量学和光谱等观测手段,测定了行星宿主恒星的一些运动学参数(如视差,自行和视向速度)和物理性质(如质量,有效温度和演化阶段)。观测数据的积累使得行星系统性质和恒星运动学特征/演化阶段之间相关性的统计研究成为可能。因此本文将在前人工作的基础上,研究银河系环境(空间位置,组分和年龄)和恒星演化阶段对于行星系统的演化和分布的影响,这将为探索系外行星多样性提供关键的线索,加深我们对行星形成和演化的认知。在第一章,我们简要的回顾了系外行星的探测历史,介绍了行星形成的理论模型。然后,我们概述了目前发现的系外行星的统计特征,包括行星类型,出现率,轨道结构及其和恒星物理性质的相关性,这些观测特征对行星形成和演化理论带来了很多挑战和约束。接下来我们主要集中研究不同银河系环境下,不同年龄的系外行星系统的差异。在第二章中,我们修正了划分银河系组分和计算恒星年龄的运动学方法。基于郭守敬望远镜(LAMOST)和Gaia空间望远镜的数据,我们将划分银河系组分的运动学方法的适用范围由太阳附近100 pc延展到~1500 pc,足以覆盖目前已经发现的绝大多数行星系统。此外,我们修正了年龄-速度弥散关系,提高了其参数精度(大约三倍)。利用修正的年龄-速度弥散关系,我们可以得到一群恒星的运动学年龄,其典型误差从之前的30%-60%降低到了 10%-20%。利用我们修正的运动学方法,可以(精确)测定恒星的银河系组分和运动学年龄,为之后研究不同银河系环境,不同年龄的行星系统奠定了基础。在第三章和第四章中,借助上述方法,我们计算了 2,174颗行星宿主(2,872颗行星)和35,864颗Kepler恒星的运动学性质(如位置,速度,银河系组分等),构建了恒星运动学星表。利用上述星表,我们研究了恒星自转/活动性随运动学年龄的演化。结果表明随着恒星的老化,它们的自转速度会下降,活动性变弱。其次,我们还比较了 Kepler行星宿主恒星和场星(周围没有探测到行星的恒星)的运动学性质。与场星相比,行星宿主恒星的速度更小,年龄更低。随着行星个数的增加,恒星位于银河系薄盘的比例增加,厚盘的比例减小,运动学年龄越来越小。换而言之,从薄盘到厚盘,恒星的年龄越来越大,周围(观测到的)行星个数不断减小。这反映了行星系统的动力学演化。可能的一个解释是:随着年龄增加,行星之间的动力学扰动使得行星的偏心率(轨道倾角)增加,甚至导致行星之间的并和或逃逸,从而导致了观测到行星个数的减少。在第五章中,借助上述的运动学方法和星表,我们研究了热木星(质量和木星相当,周期小于10天的行星)的年龄分布和时间演化。我们发现,热木星比温冷木星(周期大于10天的类木行星)更倾向于出现在较为年轻的恒星周围。我们还发现热木星的数目比例(出现率)随着主星年龄的增大而减小,而冷木星的出现率则随年龄没有明显变化。这一现象和潮汐理论的预期一致:热木星在主星潮汐作用下失去角动量,轨道半长径减小;最终部分热木星进入主星的洛希极限,被主星瓦解吞噬,导致观测上热木星出现率随年龄的衰减。如果上述衰减是由潮汐作用导致,我们通过数值模拟,给出了类太阳恒星约化潮汐因子的限制:Q*’~105-106。此外,热木星数目比例(出现率)的持续下降也表明大多数的热木星需要在恒星形成早期形成/迁移到当前位置,这一结果也为揭示热木星的起源提供了线索和约束。此外,在第六章,我们研究了白矮星周围残存的行星系统。行星系统在经历后主序演化可以存活在白矮星周围,其主要的观测证据是大气金属污染和尘埃盘。我们通过统计分析斯皮策太空望远镜(Spitzer)和斯隆数字化巡天望远镜(SDSS)的观测数据,首次发现了白矮星吞噬周围物质质量的速率随时间呈现出了分段幂律衰减的规律。结合数值模拟和理论推导,我们提出了环白矮星尘埃盘和白矮星大气金属污染的演化模型,揭示了白矮星吞噬其周围残留行星物质的演化规律。我们模型的成功也表明太阳系中木星和小行星带并存的结构是较为普遍的。在文章的第七章,我们总结了本文的主要结论。
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