不同质量恒星周围的行星如何形成?在这项研究中,我们试图找出决定行星最终质量的过程。我们建立了卵石驱动的核心吸积模型,研究 0.08 M⊙-1 M⊙恒星质量范围内恒星周围行星的形成与演化。通过对初始条件进行蒙特卡洛采样,我们以群体合成方式模拟了大量单个原行星胚胎的增长和迁移,并从行星质量、半长轴、金属丰度和含水量等方面与观测到的系外行星进行比较。
我们发现,当气体盘尺寸更大、盘吸积率更高、盘金属更丰富,和/或主星质量更大时,气态巨行星更容易形成。我们的模型表明,首先, 超级地球的特征质量由卵石隔离质量决定。 该质量指的是 此时 行星开始打开浅间隙并反转局部压力梯度的质量。在这种情况下,卵石会漂移并停在行星轨道外侧的局部压力极大处,因此通过卵石吸积实现的核心质量增长会停止。 超级地球质量随其主星质量线性增加,对应于 晚 M 型矮星周围约 1 个地球质量,以及太阳质量恒星周围约 20 个地球质量。 其次,质量最高到 20 M 的低质量行星⊕可以在宽金属丰度范围的恒星周围形成,而大质量气态巨行星更倾向于在富金属恒星周围增长。 总体而言,我们的模型成功定量再现了系外行星的若干重要观测性质以及它们与主星的相关性。详见 Liu et al. 2019, A&A [ADS] [arxiv].

图1:观测到的系外行星(上图)与模拟得到的行星族群(下图)的行星质量-主星质量关系。超级地球的特征质量随其主星质量近似线性增加。
图1展示了观测系外行星(上图)和模拟行星(下图)的质量随主星质量的变化。蓝点和红点分别表示已知行星真实质量的样本(通过 TTV,或径向速度与凌星联合测量)以及只知道最小质量的样本(仅径向速度测量);黑点表示单行星系统中的模拟行星。需要注意的是,观测样本仅限于近距离行星,未包括微引力透镜发现的行星。黑色实线表示卵石隔离质量。
我们发现,低质量 M 矮星(<0.3 个太阳质量)周围的行星很好地遵循这种线性质量标度关系。气态巨行星常见于质量更高的 FGK 型恒星周围,但在质量低于 0.2 个太阳质量的极低质量恒星周围几乎没有发现。左上图中大质量行星的缺失具有天体物理原因:行星核心的最终质量受到卵石隔离过程调控。对于如此低质量的恒星,卵石隔离质量很低,因此主星质量低于 0.2 个太阳质量时,巨行星形成会受到强烈抑制。