褐矮星是质量介于成熟恒星和巨行星之间的天体。褐矮星系统能够孕育什么类型的行星?它们的形成过程更类似太阳周围的行星,还是更类似木星周围的卫星?我们开展了行星群体合成研究,考察中心天体质量从 0.01 M⊙ 到 0.1 M⊙ 的低质量天体周围的行星形成。
基于对流体不稳定形成星子的数值模拟外推,我们得到星子的特征质量。该质量会随中心天体质量和轨道距离增加而增加,并随形成时间推迟而降低。随后,我们追踪这些由流体不稳定形成的星子通过卵石吸积继续增长和迁移的过程。
在 0.1 M⊙ 的晚 M 型矮星周围,原行星可以增长到地球质量;然而,在 0.01 M⊙ 的褐矮星周围,行星无法增长到超过火星质量。它们能够达到的最大质量等于卵石隔离质量。重要的是,在这些低质量中心天体周围,我们没有发现气态巨行星形成的通道,因为固体核心太小,无法触发失控气体吸积。这些预言可与未来系外行星观测进行比较。详见 Liu et al. 2020, A&A [ADS] [arxiv].

图1: 不同盘模型中,由流体不稳定形成的星子质量随轨道距离的变化。

图2:不同初始盘位置的成长原行星,其质量与半长轴的关系;中心天体质量分别为 0.1 M⊙(粗线)和 0.01 M⊙(细线)。
图1展示了由流体不稳定形成的星子质量如何随盘的径向距离变化。内盘区域形成的星子质量较低,外盘区域形成的星子质量较高;在 3 au 附近,典型星子尺度约为 100 km。质量更高的盘,和/或围绕质量更高中心天体的盘,通常会产生质量更大的星子。
图2展示了不同中心天体环境下行星增长和迁移的动画。细线和粗线分别表示 0.01 M⊙ 和 0.1 M⊙ 的中心天体;颜色表示原行星的初始形成位置。
图3展示了 1000 个原行星的蒙特卡洛模拟结果,分别考虑自引力盘(上排)和非自引力盘(下排),以及从水冰线出发(左列)或随机初始位置出发(右列)的情形。颜色条表示中心天体质量。我们注意到,行星能够达到的最大质量等于其卵石隔离质量。

图3:不同盘条件和不同初始位置下,成长原行星的质量与半长轴关系。