利用天体测量和视向速度联合约束行星质量.pdf

摘要

质量作为天体最基本的物理参数之一，在研究系外行星的温度结

构、化学组分、形成与演化方面发挥着至关重要的作用。不同质量的

行星通过引力对大气的束缚能力一般不同，这可能影响行星大气的物

理和温度结构等。已知行星的质量和半径则可以推导其密度，进而约

束行星的化学组分。岩质行星的密度通常与地球类似，主要由硅酸盐

等主导。而气态巨行星的密度与木星类似，H/He等气体占主导。另

外，行星的不同形成机制对最终形成的行星质量也有着显著的影响。

例如，气态巨行星的形成被认为存在两种机制：核吸积和引力不稳定。

核吸积指的是巨行星先形成岩质固态核，再吸积行星盘中剩余气体从

而形成巨大的H/He气体包层。这种机制因为需要较多的金属元素作

为原料，其行星发生率通常被认为与行星盘或主星的丰度存在正相关

关系。而引力不稳定机制则与行星盘金属丰度没有直接依赖关系，它

直接通过盘中气体引力不稳定坍缩形成行星，这种方式被认为是大质

量巨行星的主要形成方式。但目前这两种机制所能形成的行星质量边

界尚存争议，许多更加详细的物理过程仍在研究中。

目前通过各种探测技术发现的系外行星总量已经超过了5300颗，

其中凌星法和视向速度法（RV）是效率最高的两种方法。但由于这

两种方法的固有缺陷，大部分行星都缺乏真实的质量测量，比如凌星

法只能获取行星的半径Rp、轨道倾角等i，而RV技术只能测量行星

的最小质量Mpsini。近年来，随着Gaia任务高精度天测数据的发布，

利用Hipparcos-Gaia之间长达25年时间基线的自行差异来约束RV行

星质量已经成为了可能。这些数据与RV结合可以很好地刻画长周期

行星或亚恒星的轨道。在本研究中，我们利用开源的轨道拟合工具

orvara，同时结合公开的RV数据和Hipparcos-Gaia加速度目录（HGCA）

提供的天体测量数据，共同确定了115颗行星或亚恒星的轨道和质量。

我们发现其中9颗最小质量Mpsini＜13.5MJup的系外行星应重新分

类为褐矮星（BD），而16颗BD候选行星（13.5≤Mpsini＜80MJup）

被证明是低质量的M矮星。利用公开的数据，我们证认了两颗行星

候选体HD167677b和HD89839b的轨道属性，同时发现了一颗低

质量、高偏心的褐矮星HD165131b。通过分析主星丰度、伴星偏心

率与质量的关系，我们证实了前人的发现，即质量低于42.5MJup的伴

星可能主要通过核吸积或盘引力不稳定机制在原行星盘中形成，而质

量超过42.5MJup的伴星则是类似恒星那样，主要通过分子云的引力不

稳定性形成。选择效应和探测偏差可能在某种程度上影响了我们的分

析。

关键词视向速度，天体测量，行星质量，行星形成

ABSTRACT

Beingoneofthemostfundamentalphysicalparameterof

astronomicalobjects,massplaysavitalroleinthestudyofexoplanets,

includingtheirtemperaturestructure,chemicalcomposition,formation,

andevolution.Planetswithdifferentmassesgenerallyhavedifferent

abilitiestocaptureatmospherethroughgravity,whichaffectsthephysical

andtemperaturestructureoftheplanetaryatmosphere.Giventhemass

andradiusoftheplanet,thedensitycanbederivedand