研究揭示近鄰宜居行星巡天計劃目標雙星系統的行星質量

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

　　近期，中國科學院紫金山天文臺領銜的科研團隊針對CHES開展了先期研究，聚焦CHES任務中的近鄰密近雙星系統，結合視向速度實測數據與天體測量模擬數據，開展動力學軌道擬合以揭示其周圍行星的質量。

　　科研人員將行星系統的軌道動力學積分與馬爾可夫鏈蒙特卡洛（MCMC）擬合方法相結合，用以改進CHES目標雙星系統中行星的軌道參數和質量解。通過對平運動共振系統和密近雙星系統的視向速度信號進行模擬，研究人員進一步證實，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。在最小質量-半長軸參數空間中，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，最小質量探測閾值的波動范圍為20至80個地球質量（M⊕）。RV實測數據的動力學擬合結果顯示，行星質量低于Kepler模型預測值。對于GJ 86、GJ 3021、HD 196885和HD 41004密近雙星系統，Kepler模型與N體模型所得最小質量偏差超過0.2 木星質量（MJup），表明動力學效應引起的RV振幅漂移顯著影響行星質量解。RV理論信號的漂移還可預測行星系統軌道間相互傾角，為CHES模擬進一步約束系統軌道和行星質量提供了先驗條件。

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

　　研究人員還利用N體模型計算了天體測量探測概率在平運動共振和長期共振機制下的變化，但由于軌道半長軸和行星質量均無顯著變化 ，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的協同觀測，將顯著提升近鄰宜居系外行星的探測效率，提供行星系統的動力學約束，并更準確地刻畫類地行星質量。

　　相關研究成果發表于《天體物理學雜志》（APJ）。研究工作得到國家自然科學基金重點項目、中國科學院空間科學先導專項等的支持。