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加快打造原始創(chuàng)新策源地,，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),，努力搶占科技制高點(diǎn),，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿,、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求,、面向人民生命健康,，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地,，率先建成國家高水平科技智庫,，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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研究揭示近鄰宜居行星巡天計(jì)劃目標(biāo)雙星系統(tǒng)的行星質(zhì)量

2025-05-14 紫金山天文臺

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近鄰宜居行星巡天計(jì)劃（CHES）旨在發(fā)射一臺1.2米口徑的高精度空間天體測量望遠(yuǎn)鏡,，通過精確測量目標(biāo)恒星與參考星之間微角秒級別的星間距變化，有望首次發(fā)現(xiàn)近鄰類日恒星宜居帶內(nèi)的類地行星,，并全面普查近鄰行星的數(shù)量,、真實(shí)質(zhì)量和三維軌道等關(guān)鍵信息。隨著系外行星探測精度和能力的不斷提升,，天文學(xué)家已在類日恒星周圍發(fā)現(xiàn)巖質(zhì)行星,。最新一代的視向速度（RV）光譜儀ESPRESSO和HARPS的精度高達(dá)0.50米/秒，而CHES的天體測量精度可達(dá)微角秒（μas）,。極高的探測精度不僅帶來了新機(jī)遇,，也提出了更高的挑戰(zhàn)。研究者必須從觀測數(shù)據(jù)中分辨出微弱的系外行星信號，并與低振幅噪聲源加以區(qū)分,。例如,，由行星攝動引發(fā)的恒星運(yùn)動信號在某些情況下可能會被誤判為噪聲。對于多行星系統(tǒng)或密近雙星系統(tǒng)中的行星,，長期共振等作用可能驅(qū)動行星軌道演化,，導(dǎo)致軌道偏心率升高或軌道傾角發(fā)生顯著變化。在這種情況下,，傳統(tǒng)的開普勒軌道模型（Kepler模型）已難以全面描述系統(tǒng)的動力學(xué)行為,，需引入更復(fù)雜的動力學(xué)擬合方法加以建模。

近期,，中國科學(xué)院紫金山天文臺領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)針對CHES開展了先期研究,，聚焦CHES任務(wù)中的近鄰密近雙星系統(tǒng)，結(jié)合視向速度實(shí)測數(shù)據(jù)與天體測量模擬數(shù)據(jù),，開展動力學(xué)軌道擬合以揭示其周圍行星的質(zhì)量,。

科研人員將行星系統(tǒng)的軌道動力學(xué)積分與馬爾可夫鏈蒙特卡洛（MCMC）擬合方法相結(jié)合，用以改進(jìn)CHES目標(biāo)雙星系統(tǒng)中行星的軌道參數(shù)和質(zhì)量解,。通過對平運(yùn)動共振系統(tǒng)和密近雙星系統(tǒng)的視向速度信號進(jìn)行模擬,，研究人員進(jìn)一步證實(shí)，目前高精度視向速度光譜儀可探測到軌道振蕩造成的信號漂移,。在最小質(zhì)量-半長軸參數(shù)空間中,，如果K值向上漂移超過原探測極限，類地行星的探測效率會隨著恒星伴星的存在而提高,，最小質(zhì)量探測閾值的波動范圍為20至80個(gè)地球質(zhì)量（M_⊕）,。RV實(shí)測數(shù)據(jù)的動力學(xué)擬合結(jié)果顯示，行星質(zhì)量低于Kepler模型預(yù)測值,。對于GJ 86,、GJ 3021、HD 196885和HD 41004密近雙星系統(tǒng),，Kepler模型與N體模型所得最小質(zhì)量偏差超過0.2 木星質(zhì)量（M_Jup），表明動力學(xué)效應(yīng)引起的RV振幅漂移顯著影響行星質(zhì)量解,。RV理論信號的漂移還可預(yù)測行星系統(tǒng)軌道間相互傾角,，為CHES模擬進(jìn)一步約束系統(tǒng)軌道和行星質(zhì)量提供了先驗(yàn)條件。

高精度視向速度與天體測量聯(lián)合求解可顯著提升行星質(zhì)量的解算精度,，研究人員以GJ 86系統(tǒng)的RV擬合結(jié)果為初始條件,，分別生成Gaia與CHES天體測量模擬數(shù)據(jù)，在軌道傾角為50°–85°的假定下開展RV+Gaia與RV+CHES聯(lián)合擬合,。研究表明,，GJ 86 Ab的行星質(zhì)量比單獨(dú)采用天體測量方法所得結(jié)果高約0.6個(gè)M_Jup，Gaia模擬數(shù)據(jù)對行星質(zhì)量的擬合誤差為0.1 M_Jup,，而CHES模擬數(shù)據(jù)則將該精度提升至0.01 M_Jup,。

研究人員還利用N體模型計(jì)算了天體測量探測概率在平運(yùn)動共振和長期共振機(jī)制下的變化,，但由于軌道半長軸和行星質(zhì)量均無顯著變化，天體測量信號沒有類似視向速度的明顯漂移,，Gaia的天體測量精度目前不足以探測到軌道動力學(xué)演化的微弱信號,。未來，基于CHES與地基高精度視向速度光譜儀,、直接成像法空間任務(wù)的協(xié)同觀測,，將顯著提升近鄰宜居系外行星的探測效率，提供行星系統(tǒng)的動力學(xué)約束,，并更準(zhǔn)確地刻畫類地行星質(zhì)量,。

相關(guān)研究成果發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》（APJ）。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目,、中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)等的支持,。

論文鏈接

第三體攝動引起的視向速度探測極限漂移

CHES任務(wù)目標(biāo)雙星的視向速度動力學(xué)擬合結(jié)果

Gaia與CHES仿真觀測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

近鄰宜居行星巡天計(jì)劃（CHES）旨在發(fā)射一臺1.2米口徑的高精度空間天體測量望遠(yuǎn)鏡，通過精確測量目標(biāo)恒星與參考星之間微角秒級別的星間距變化,，有望首次發(fā)現(xiàn)近鄰類日恒星宜居帶內(nèi)的類地行星,，并全面普查近鄰行星的數(shù)量、真實(shí)質(zhì)量和三維軌道等關(guān)鍵信息,。隨著系外行星探測精度和能力的不斷提升,，天文學(xué)家已在類日恒星周圍發(fā)現(xiàn)巖質(zhì)行星。最新一代的視向速度（RV）光譜儀ESPRESSO和HARPS的精度高達(dá)0.50米/秒,，而CHES的天體測量精度可達(dá)微角秒（μas）,。極高的探測精度不僅帶來了新機(jī)遇，也提出了更高的挑戰(zhàn),。研究者必須從觀測數(shù)據(jù)中分辨出微弱的系外行星信號,，并與低振幅噪聲源加以區(qū)分。例如,，由行星攝動引發(fā)的恒星運(yùn)動信號在某些情況下可能會被誤判為噪聲,。對于多行星系統(tǒng)或密近雙星系統(tǒng)中的行星，長期共振等作用可能驅(qū)動行星軌道演化,，導(dǎo)致軌道偏心率升高或軌道傾角發(fā)生顯著變化,。在這種情況下，傳統(tǒng)的開普勒軌道模型（Kepler模型）已難以全面描述系統(tǒng)的動力學(xué)行為,，需引入更復(fù)雜的動力學(xué)擬合方法加以建模,。近期，中國科學(xué)院紫金山天文臺領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)針對CHES開展了先期研究,，聚焦CHES任務(wù)中的近鄰密近雙星系統(tǒng),，結(jié)合視向速度實(shí)測數(shù)據(jù)與天體測量模擬數(shù)據(jù)，開展動力學(xué)軌道擬合以揭示其周圍行星的質(zhì)量?？蒲腥藛T將行星系統(tǒng)的軌道動力學(xué)積分與馬爾可夫鏈蒙特卡洛（MCMC）擬合方法相結(jié)合,，用以改進(jìn)CHES目標(biāo)雙星系統(tǒng)中行星的軌道參數(shù)和質(zhì)量解。通過對平運(yùn)動共振系統(tǒng)和密近雙星系統(tǒng)的視向速度信號進(jìn)行模擬,，研究人員進(jìn)一步證實(shí),，目前高精度視向速度光譜儀可探測到軌道振蕩造成的信號漂移。在最小質(zhì)量-半長軸參數(shù)空間中,，如果K值向上漂移超過原探測極限,，類地行星的探測效率會隨著恒星伴星的存在而提高，最小質(zhì)量探測閾值的波動范圍為20至80個(gè)地球質(zhì)量（M⊕）,。RV實(shí)測數(shù)據(jù)的動力學(xué)擬合結(jié)果顯示,，行星質(zhì)量低于Kepler模型預(yù)測值。對于GJ 86,、GJ 3021,、HD 196885和HD 41004密近雙星系統(tǒng)，Kepler模型與N體模型所得最小質(zhì)量偏差超過0.2 木星質(zhì)量（MJup）,，表明動力學(xué)效應(yīng)引起的RV振幅漂移顯著影響行星質(zhì)量解,。RV理論信號的漂移還可預(yù)測行星系統(tǒng)軌道間相互傾角，為CHES模擬進(jìn)一步約束系統(tǒng)軌道和行星質(zhì)量提供了先驗(yàn)條件,。高精度視向速度與天體測量聯(lián)合求解可顯著提升行星質(zhì)量的解算精度,，研究人員以GJ 86系統(tǒng)的RV擬合結(jié)果為初始條件，分別生成Gaia與CHES天體測量模擬數(shù)據(jù),，在軌道傾角為50°–85°的假定下開展RV+Gaia與RV+CHES聯(lián)合擬合,。研究表明，GJ 86 Ab的行星質(zhì)量比單獨(dú)采用天體測量方法所得結(jié)果高約0.6個(gè)MJup,，Gaia模擬數(shù)據(jù)對行星質(zhì)量的擬合誤差為0.1 MJup,，而CHES模擬數(shù)據(jù)則將該精度提升至0.01 MJup。研究人員還利用N體模型計(jì)算了天體測量探測概率在平運(yùn)動共振和長期共振機(jī)制下的變化,，但由于軌道半長軸和行星質(zhì)量均無顯著變化 ,，天體測量信號沒有類似視向速度的明顯漂移，Gaia的天體測量精度目前不足以探測到軌道動力學(xué)演化的微弱信號,。未來,，基于CHES與地基高精度視向速度光譜儀、直接成像法空間任務(wù)的協(xié)同觀測,，將顯著提升近鄰宜居系外行星的探測效率，提供行星系統(tǒng)的動力學(xué)約束,，并更準(zhǔn)確地刻畫類地行星質(zhì)量,。相關(guān)研究成果發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志》（APJ）。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)等的支持,。論文鏈接第三體攝動引起的視向速度探測極限漂移CHES任務(wù)目標(biāo)雙星的視向速度動力學(xué)擬合結(jié)果Gaia與CHES仿真觀測數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

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