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行星系

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原行星盘艺术构想图
艺术家对行星系统的概念。

行星系统（英语：Planetary system）是所有在恒星或恒星系统周围的轨道内或外，受到引力束缚的非恒星天体。一般来说，拥有一颗或多颗行星的系统构成了一个行星系统，尽管这些系统也可能由矮行星、小行星、天然卫星、流星体、彗星和星子等天体[1][2]，和星周盘组成。太阳和围绕它旋转的行星系统，包括地球，组成太阳系[3][4]。系外行星系统（英语：exoplanetary system）一词通常用于表示其它行星系统。.

截至2024年5月1日，4,169个行星系统中有5,662颗已确认的系外行星，其中896个系统有一颗以上的行星[5]。岩屑盘也很常见，然而其它物体更难观察到。

天体生物学特别感兴趣的是行星系统的适居带，在那里行星表面可能有液态水，从而有能力支持类地生命。

历史

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日心说

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历史上，日心说（太阳位于宇宙中心的学说）反对地心说（将地球置于宇宙中心）。

以太阳为中心的日心太阳系概念可能最早出现在古印度的吠陀经文献中，该文献通常将太阳称为“中心的球体”。一些人在阿耶波多著作中的Āryabhaṭīya（英语：Aryabhatiya）解读为隐含日心说。

早在公元前3世纪，阿里斯塔克斯就在西方哲学和希腊天文学中首次提出了这个想法[6]，但没有得到大多数其他古代天文学家的支持。

太阳系的发现

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主条目：太阳系的发现和探索
哥白尼手稿中的太阳系日心模型。

尼古拉斯·哥白尼于1543年发表的《天体运行论》提出了第一个行星系统的数学预测日心模型。17世纪的继任者伽利略、约翰内斯·开普勒和艾萨克·牛顿爵士发展了对物理学的理解，这导致人们逐渐接受了地球绕太阳运动的观点，即行星受到与地球相同的物理定律的支配。

关于太阳系外行星系统的推测

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16世纪，意大利哲学家焦尔达诺·布鲁诺是哥白尼地球和其它行星绕太阳运行理论的早期支持者，他提出了恒星与太阳相似，并且同样伴随着行星的观点。他因自己的思想而被罗马宗教裁判所（英语：Roman Inquisition）以火刑处死[7]。

在18世纪，艾萨克·牛顿爵士在总结其《自然哲学的数学原理》的“普通学术（英语：General Scholium）”中也提到了同样的可能性。在与太阳的行星进行比较时，他写道：“如果恒星是类似系统的中心，它们都将根据类似的设计建造，并受‘一致’的支配。”[8]。

尽管缺乏支持的证据，但他的理论在19世纪和20世纪获得了支持。早在天文学家证实之前，对行星系统性质的猜测就已经成为寻找外星智慧和小说中的太阳系外行星（英语：Extrasolar planets in fiction）一直是小说中的一个流行主题和焦点，尤其是科幻小说。

探测系外行星

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第一次确认探测到系外行星是在1992年，当时发现了几颗围绕脉冲星PSR B1257+12运行的类地质量行星。第一次确认探测到主序星的系外行星是在1995年，当时发现了一颗轨道周期为4天，围绕附近黄矮星飞马座51的巨行星飞马座51b。自那以后，探测频率增加了，特别是通过系外行星侦测法和专门的行星探测计划，如开普勒太空观察站。

起源和演化

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参见：星云假说、行星迁移和太阳系的形成与演化
电离原行星盘的动力学说明

行星系统来自原行星盘，它们在恒星周围形成，是恒星形成过程的一部分。

在系统形成的过程中，许多物质被引力分散到遥远的轨道上，一些行星被完全逐出系统，成为星际行星。

演化的系统

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高质量恒星

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围绕脉冲星运行的行星已经被发现。脉冲星是高质量恒星超新星爆炸的残余，但在超新星爆发之前存在的行星系统很可能大部分被摧毁。行星不是被蒸发，就是被爆炸恒星的气体质量推离轨道，或是中心恒星大部分质量的突然丧失会使它们脱离恒星的引力控制，或者在某些情况下，超新星会将脉冲星以高速踢出系统，因此任何在爆炸中幸存下来的行星都会作为自由漂浮的物体被抛在后面。在脉冲星周围发现的行星可能是由先前存在的恒星伴星形成的，这些恒星伴星几乎被超新星爆发完全蒸发，留下了行星大小的天体。或者，行星可能在脉冲星周围的一个由后退物质组成的吸积盘中形成[9]。在超新星期间未能脱离轨道的物质的回落盘也可能在黑洞周围形成行星[10]。

低质量恒星

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用甚大望远镜观测到的原行星盘[11]。

当恒星演化成红巨星、渐近巨星分支和行星状星云时，它们吞噬了内行星，根据它们的质量将它们全部或部分蒸发[12][13]。当恒星失去质量时，没有被吞噬的行星会进一步远离恒星。

如果一颗演化的恒星处于联星或多星系，那么它失去的质量可以转移到另一颗恒星，形成新的原行星盘和第二代和第三代行星。这些新一代行星的成分可能与原始行星不同，也可能受到质量转移的影响。

系统架构

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太阳系由小岩石行星的内部区域和大气态巨行星的外部区域组成。然而，其他行星系统可能具有完全不同的结构。研究表明，行星系统的结构取决于它们最初形成的条件[14]。已经发现许多系统的气态巨行星热木星非常靠近恒星。有人提出了一些理论，如行星迁移或散射，用于在母恒星附近形成大行星[15]。

现时[何时？]，很少有系统被发现与太阳系类似：类地行星靠近母恒星。更常见的是，已经探测到由多个超级地球组成的系统[16]。

分类

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根据行星质量在主星周围的分布情况，行星系统结构可分为四类[17][18]：

  • 相像的：一个系统中所有行星的质量都是相似的。这类结构是我们银河系中最常见的。实例包括TRAPPIST-1。据说这些系统中的行星就像“豆荚里的豌豆”[19]。
  • 混合的：一个系统中行星的质量表现出很大的增加或减少的变化。这种系统的例子有GJ-876或开普勒-89系统
  • 无序的：一个系统中的大质量行星离恒星很近，而较小的行星离恒星更远。现时还没有这种体系结构已知的例子。
  • 有序的：系统中行星的质量往往随着与主星距离的增加而增加。太阳系是一种有序系统，内部有小的岩石行星，外部有巨行星。

组成

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行星和恒星

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主条目：Planet-hosting stars
摩根-肯那光谱分类。

大多数已知的系外行星围绕与太阳大致相似的恒星运行：即光谱类别F、G或K的主序星。其中一个原因是行星搜索项目倾向于将注意力集中在这类恒星上。此外，统计分析表明，质量较低的恒星（红矮星，属于光谱类别M）不太可能拥有质量足以被径向速度法探测到的行星[20][21]。尽管如此，开普勒太空观察站通过可以探测到较小行星的凌日法，已经发现了数十颗红矮星周围的行星。

星周盘和尘埃结构

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主条目：星周盘
使用改进的成像过程，在HST的年轻恒星档案影像中探测到“HD 141943”和“HD 191089”的岩屑盘（2014年4月24日）

在行星之后，星周盘是行星系统，特别是年轻恒星最常见的观测特性之一。太阳系至少有四个主要的星周盘（小行星带、柯伊伯带、离散盘和奥尔特云），在附近类似太阳的天体周围探测到了清晰可见的盘，包括波江座ε和鲸鱼座τ。根据对许多相似圆盘的观测，它们被认为是主序星上恒星的非常常见的内容。

对太阳系中行星际尘云已经在进行研究，类似的尘埃云被认为也存在于其它行星系统中。外黄道带尘埃，是填充太阳系平面的1–100微米大小的无定形碳和硅酸盐尘埃颗粒的黄道带尘埃，在系外行星的一种类似物[22]，已经在蛇夫座51、北落师门周围被发现[23][24]，鲸鱼座τ[24][25] 和织女星系统。

彗星

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主条目：彗星

截至2014年11月，已知的太阳系彗星有5,253颗[26]，它们被认为是行星系统常见（共同）的组成部分。第一批系外彗星于1987年被探测到[27][28]围绕着一颗非常年轻的 A型主序星：绘架座β。目前共有11颗恒星被观测到或怀疑存在系外彗星[29][30][31][32]。所有已发现的系外彗星系统（绘架座β、HR 10[29]、蛇夫座51、HR 2174[30]、鲸鱼座49、左旗增五、车府增十七、HD 21620、HD 42111、HD 110411[31][33]、和不久前新增的孔雀增一（HD 172555）[32]）都是在非常年轻时候的A型星。

其他成员

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更多信息：环行星盘

2013年，斯皮策空间望远镜在NGC 2547-ID8恒星周围探测到一次撞击，并经地面观测证实，该撞击的电脑模型表明，大型小行星或原行星的参与，与据信导致地球等类地行星形成的事件相似[34]。

根据对太阳系大量天然卫星的观测，它们被认为是行星系统的共同组成部分； 然而，到目前为止[何时？]，系外卫星的存在尚未得到证实。在半人马座的恒星1SWASP J140747.93-394542.6，是天然卫星的有力候选者[35]。有迹象表明，已确认的太阳系外行星WASP-12b也至少有一颗卫星[36]。

轨道构型（配置）

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与轨道接近圆形的太阳系不同，许多已知的行星系统显示出更高的轨道离心率[37]。这种系统的一个例子是奚仲四（天鹅座16）。

相互倾斜

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两颗行星之间相互的倾角是它们的轨道平面之间的角度。许多在金星等效轨道内部有多颗近距离行星的紧凑系统预计相互倾角非常低，因此该系统（至少是近距离部分）将比太阳系更平坦。被捕获的行星可以被捕获到与系统其它部分成任意角度。截至2016年，只有少数几个系统实际测量了相互倾斜[38]。一个例子是天大将军六（仙女座υ）系统：行星c和d的相互倾角约为30度[39][40]。

轨道动力学

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行星系统可以根据其轨道动力学分类为共振系统、非共振相互作用系统、分层系统或这些系统的某种组合。在共振系统中，行星的轨道周期是整数比。包含四颗行星的开普勒223系统以8:6:4:3轨道共振[41]。 巨行星比较小的行星更频繁地出现在平均运动共振中[42]。 在相互作用的系统中，行星的轨道距离足够近，以至于它们会扰乱轨道参数。 太阳系可以被描述为弱相互作用。在强相互作用的系统中，开普勒定律不成立[43]。 在分层系统中，行星的排列方式使系统在引力上可以被视为两个天体的嵌套系统，例如，在一颗恒星与一个近距离的热木星和另一个更远的气态巨星在一起，恒星和热木星形成一对，对另一个足够远的行星来说，这对恒星与行星看起来像一个单一的物体

其它尚未观测到的轨道可能性包括：双行星；各种共轨行星，如准卫星、特洛伊和交换轨道；以及由进动轨道平面维持的互锁轨道[44]。

行星数量、相对参数和间距

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行星捕获

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疏散星团中自由漂浮的行星具有与恒星相似的速度，因此可以被重新捕获。它们通常被捕获到100到105AU。捕获效率随着集群大小的增加而降低，对于给定的集群大小，捕获效率随着主星/主节点质量的增加而增加[需要解释]。它几乎与行星质量无关。单颗和多颗行星可能被捕获到任意的不对齐轨道上，彼此不共面，或与宿主恒星自转或早先存在的行星系统不共面。由于来自同一星团的恒星有着共同起源，一些行星-宿主的金属丰度相关性可能仍然存在。行星不太可能在中子星周围被捕获，因为它们形成时很可能会被脉冲星踢（英语：pulsar kick）从星团中喷出。行星甚至可以在其它行星周围被捕获，形成自由漂浮的行星联星。在星团散去后，一些轨道大于106 AU的被捕获行星将被星系潮汐慢慢破坏，并可能通过与其它场恒星或巨型分子云的相遇而再次自由漂浮[45]。

区域

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适居带

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主条目：适居带
不同类型恒星周围适居带的位置。

恒星周围的适居带是指温度范围允许液态水存在于行星上的区域；也就是说，离恒星不会太近，水不会蒸发，离恒星也不太远，水不会结冰。恒星产生的热量取决于恒星的大小和年龄；这意味着适居带也会相应地变化。此外，行星上的大气条件会影响行星保持热量的能力，因此适居带的位置也因不同类型的行星而异。

适居区通常根据地表温度来定义的；然而，地球上超过一半以上的生物量来自地下的微生物[46]，温度随着地下深度的增加而增加，因此当地表结冰时，地下可能仍有利于生命；如果考虑到这一点，适居带距离恒星可以更远[47]。

2013年的研究表明，类太阳恒星的比率估计为22±8%[a]是具有地球大小恒星[b]的行星在适居带[c][48][49]。

金星带

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“金星带”是指恒星周围的区域，在那里类地行星会有失控温室效应的条件，比如金星，但不会太靠近恒星，因此大气不会完全蒸发。与适居带一样，金星带的位置取决于几个因素，包括恒星的类型和行星的性质，如质量、自转速率和大气云。对开普勒太空观察站数据的研究表明，根据行星大小和与恒星的距离，32%的红矮星可能有类似金星的行星，而K型和G型的行星则增加到45%[d]已经确定了几个候选者，但需要对它们的大气层进行光谱的后续研究，以确定它们是否像金星[50][51]。

行星的银河系分布

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参见：银河适居带、银河系外行星和球状星团 § 型星
截至2014年7月，90%已知距离的行星距离地球约2,000光年。

银河系的直径为100,000光年，但截至2014年7月，90%已知距离的行星距离地球约2000光年。一种可以探测更远行星的方法是微引力透镜。即将到来的罗曼太空望远镜可以使用微透镜量测核球与星系盘中行星的相对频率[52]。到目前为止，有迹象表明，行星在星系盘中比核球中更常见[53]。估计微透镜事件的距离是困难的：第一颗被认为很有可能位于核球中的行星是MOA-2011-BLG-293Lb，距离为7.7千秒差距（约25,000光年）[54]。


“第一星族星”或“富金属星”，是那些金属量最高的年轻恒星。因为行星是由金属的吸积形成的，第一星族星的高金属性使它们比年长的恒星更有可能拥有行星系统[来源请求]。太阳是富含金属的恒星的一个例子。这种恒星在银河系的螺旋臂中很常见[来源请求]。一般来说，最年轻的恒星，极端的第一星族星，在更远的地方被发现，而中间的第一星族星在更远的地方，依此类推。太阳被认为是一颗中间第一星族星。在银河系中心周围的第一星族星有规则的椭圆轨道，相对速度较低[55]。

“第二星族星”或“贫金属星”，是那些金属量相对较低的，金属量可以比太阳低数百倍（例如：BD +17° 3248）或数千倍（例如：斯内登星）。这些恒星形成于宇宙的早期[来源请求]。中间第二星族星常见于银河系中心附近的核球[来源请求]，而在银晕中发现的第二星族星更老，因此金属量更低[来源请求]。球状星团也包含大量的第二星族星[56]。 2014年，第一颗围绕晕恒星的行星被宣布围绕着卡普坦星，这是离地球最近的晕恒星，距离地球约13光年。然而，后来的研究表明，卡普坦b只是恒星活动的产物，卡普坦c需要更多的研究才能得到证实[57]。卡普坦星的金属量估计约为比太阳少8倍[e][58]。

不同的星系类型有不同的恒星形成和行星形成的历史。行星的形成受到星系内恒星种群的年龄、金属和轨道的影响。星系内恒星种群的分布在不同类型的星系之间也有所不同[59]。 椭圆星系中的恒星比螺旋星系中的恒星要古老得多。大多数椭圆星系主要包含低质量恒星，而恒星形成的活动极少[60]。宇宙中不同类型星系的分布取决于它们在星系团内的位置，椭圆星系大多靠近它们的中心[61]。

里程碑

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相关条目

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注解

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  1. ^ 就这五分之一的统计量而言，“类太阳”的意思是黄矮星。但实际上并没有类太阳恒星的数据，所以此这一统计资料是根据K型恒星的数据推断出来的。
  2. ^ 就这五分之一的统计而言，地球大小意味着半径为1-2个地球半径
  3. ^ 就这五分之一的统计资料而言，“适居带”是指恒星通量为地球0.25至4倍的区域（相当于太阳的0.5至2天文单位）
  4. ^ 就此而言，地球大小意味着0.5–1.4地球半径，“金星带”意味着M型和K型恒星的恒星通量约为地球的1至25倍，G型恒星的通量约为地球的1.1至25倍。
  5. ^ Metallicity of Kapteyn's star estimated at [Fe/H]= −0.89. 10−0.89 ≈ 1/8

参考资料

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