巨型系外行星的形成与“失败之星”的形成不同-大规模区分

鲍勒（Bowler）和他的团队在夏威夷凯克天文台使用NIRC2摄像头，使用自适应光学元件，拍摄了低质量棕色矮矮星GJ 504 B的图像。图像已被处理，以去除宿主恒星的光线（其位置标记有“ x”）。伴星的位置距地球与太阳的距离约为40倍，轨道周期约为240年。通过年复一年地回到这个系统和其他系统，该团队能够缓慢地追踪同伴轨道的一部分以限制其形状，从而提供有关其形成和历史的线索。

由德克萨斯大学奥斯汀分校的布伦丹·鲍勒（Brendan Bowler）领导的一组天文学家探索了系外行星和褐矮星的形成过程，这是一种比巨型行星还要大的物体，但其质量不足以点燃其核心的核聚变。像真正的星星一样闪耀。他们使用巨型地面望远镜直接成像，研究了这些微弱的伴星在27个系统中绕星运行的轨道。这些数据与轨道建模相结合，使他们能够确定这些系统中的褐矮星像恒星一样形成，而气体巨人像行星一样形成。这项研究发表在最新一期的天文杂志上。

在过去的二十年中，技术的飞跃使望远镜能够将光从母星和轨道较暗的物体中分离出来。在1995年，这项新功能首次产生了一个棕色矮星绕恒星运行的直接影像。在2008年首次出现了绕着另一颗恒星运行的行星的第一张直接图像。

鲍勒谈到直接成像能力时说：“过去20年来，我们的质量一直在飞跃下降。”他指出，目前的限制约为1个木星质量。随着技术的进步，“出现的一大问题是‘我们发现的同伴的本质是什么？”

天文学家定义的棕矮星的质量在13至75木星质量之间。它们具有行星和恒星的共同特征，鲍勒和他的团队想解决这个问题：行星系统外围的天然气巨行星是行星冰山的一角，还是褐矮星的低质量末端？过去的研究表明，围绕矮矮星运行的恒星很可能像低质量恒星一样形成，但目前尚不清楚这种形成机制可以产生的质量最低的伴星是什么。

鲍勒说：“实现这一目标的一种方法是研究系统的动力学-观察轨道。”今天，它们的轨道是解锁其进化的关键。

鲍勒的团队使用夏威夷的凯克望远镜以及斯巴鲁望远镜拍摄了围绕其母恒星运行的巨型行星和褐矮星的图像。

这是一个漫长的过程。他们研究的气体巨人和褐矮星与它们的母恒星相距甚远，以至于一个轨道可能需要数百年的时间。鲍勒说，要确定哪怕一小部分的轨道，“你要拍摄一张照片，你要等一年”，让昏昏欲睡的同伴稍微走一下。然后是“您拍摄另一张图片，又等一年。”

通过耐心地观察巨型行星和褐矮星围绕它们的宿主恒星运行，即使只对一小部分轨道进行了监视，鲍勒和他的团队也能够限制轨道形状。时间基准越长，可能的轨道范围越小。这些图显示了他们研究的27个系统中的9个。

这项研究依赖于称为自适应光学的技术，该技术可使天文学家校正由地球大气层引起的畸变。在过去的三十年中，随着自适应光学仪器的不断改进，更多的褐矮星和巨型行星被直接成像。但是，由于这些发现大部分是在过去一两年内完成的，因此该团队只拥有相当于每个物体总轨道百分之几的图像。他们将对27个系统的新观测结果与其他天文学家发布的所有先前观测结果结合在一起，或者将其用于望远镜档案中。

至此，计算机建模就开始了。本文的合著者已经帮助创建了一个称为“ Orbitize！”的适合轨道的代码。它使用开普勒的行星运动定律来确定哪些类型的轨道与所测量的位置一致，而哪些则与所测量的位置不一致。

该代码为每个伴星生成一组可能的轨道。每个巨型行星或褐色矮星的轻微运动都会形成可能的轨道的“云”。云朵越小，天文学家越接近同伴的真实轨道。而且，更多的数据点（即，每个物体绕轨道运动时更直接的图像）将完善轨道的形状。

斯坦福大学的团队成员埃里克·尼尔森（Eric Nielsen）表示：“与其等着数十年或几个世纪的行星完成一个轨道，不如通过精确的位置测量来弥补我们数据较短的基线时间。”“ Orbitize的一部分！我们专门为适应部分轨道而开发的OFTI（不耐烦的轨道）使我们甚至可以找到最长的同伴轨道。”

这两条曲线显示了巨型行星和棕矮星的轨道形状的最终分布。轨道偏心率确定椭圆的伸长程度，其值为0.0对应于圆形轨道，而接近1.0的较高值是扁平的椭圆。距其主恒星相距较远的瓦斯巨行星的偏心率较低，但褐矮星的偏心率范围很宽，类似于双星系统。作为参考，我们太阳系中的巨型行星的偏心率小于0.1。

找到轨道的形状是关键：具有更多圆形轨道的物体可能像行星一样形成。就是说，当一团气体和尘埃坍塌形成恒星时，遥远的伴侣（以及任何其他行星）由围绕着该恒星旋转的扁平化气体和尘埃盘形成。

另一方面，轨道更长的轨道可能像恒星一样形成。在这种情况下，一团气体和尘埃塌陷形成恒星，但破裂成两团。然后，每个团块都坍塌，一个团块形成一颗恒星，另一个团块棕色矮星围绕该恒星旋转。这实际上是一个双星系统，尽管其中包含一个真实的恒星和一个“失败的恒星”。

尼尔森补充说：“即使这些同伴已经有几百万年的历史了，但是关于它们如何形成的记忆仍然被它们今天的怪癖所编码。”偏心率是物体轨道的圆形或细长程度的量度。

研究小组对27位远方同伴的研究结果是明确的。

“最重要的是，我们发现，当您将这些天体放在约15个木星质量的这一规范边界上时，与其他部分相比，我们一直称之为行星的那些行星确实确实具有更多的圆形轨道，鲍勒说。“其余的看起来像双星。”

这项工作的未来包括继续监视这27个对象，以及识别新对象以扩大研究范围。鲍勒说：“目前，样本量仍然很小。”他的团队正在使用盖亚卫星，通过即将到来的巨型麦哲伦望远镜（GMT）和其他设施使用具有更高灵敏度的直接成像来寻找其他候选人，以进行跟进。UT-奥斯汀是GMT合作的创始成员。

鲍勒（Bowler）小组的研究结果进一步证实了最近通过GPIES双子座行星成像仪进行的GPIES直接成像调查得出的类似结论，该发现根据棕色矮星和巨型行星的统计特性发现了不同的形成通道。

参考：“成像系外行星和棕矮伴的人口水平偏心分布：独特形成通道的动态证据”，Brendan P. Bowler，Sarah C. Blunt和Eric L. Nielsen，2020年1月23日，《天文杂志》。
10.3847 / 1538-3881 / ab5b11arXiv：
1911.10569

这项工作得到了NASA系外科学研究所管理的NASA Keck PI数据奖的支持。凯克天文台由加州理工学院和加利福尼亚大学管理。