基于宿主恒星的星震学分析揭示系外行星的命运
文献类型：学位论文
| 作者 | 林文徐 |
| 答辩日期 | 2025-07-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 朱俐颖 |
| 关键词 | 系外行星学 星震学 类太阳振荡 红巨星支星 红团簇星 |
| 学位专业 | 天体物理 |
| 其他题名 | Host Star Asteroseismology Uncovers the Destiny of Exoplanets |
| 英文摘要 | 近三十多年来，随着观测手段和方法不断迭代更新，系外行星搜寻与研究领域取得了长足的进展。从九十年代的零散热木星发现发展到当前已确认了5800多颗系外行星以及发现更大规模的候选样本。与太阳系内行星相比，系外行星表现出复杂的多样性。绕亚巨星、巨星、红巨星和红团簇星等晚期演化恒星转动的系外行星是该研究领域的一个重要的新兴研究方向。当恒星步入后期演化时，核心燃烧模式更替、自转耦合、对流区大幅扩张等过程会对行星产生深刻的潮汐或吞噬影响。相关分析研究对了解行星的结局命运以及恒星演化与行星间的相互作用等具有重要的科学意义和价值。然而要精确求解演化宿主恒星的物理参数，并确定它们的结构和演化状态是非常困难的。仅有极少数精确求出了参数，确定了宿主恒星演化状态的则更少，严重限制了相关研究的进展。与此同时，星震学在过去二十年间成为恒星物理的重要新兴分支，其通过测量恒星振荡频谱特征，能够深入探测恒星内核和对流包层的结构，从而为恒星质量、半径、 化学丰度以及演化阶段提供高精度约束，为精确刻画宿主星的关键物理量和探讨其结构演化提供了良好的机会。本论文把系外行星的研究与演化晚期宿主恒星的星震学分析有机结合起来，依托于大规模的空间巡天数据，精确求解行星与宿主恒星的质量和半径等基本物理参数，准确识别宿主恒星的结构和真实演化状态，探讨恒星演化对行星影响以及行星的演化结局和命运，取得了如下研究成果。基于星震学混合模周期间隔（ΔΠ1）明确了两颗宿主恒星的演化阶段——发现HD 120084是一颗处于稳定氦燃烧阶段的红团簇星（RC），其系统内拥有一颗高偏心率轨道且周期约2100天的巨行星，而HD 29399为一颗正处于氢壳层燃烧阶段的红巨星（RGB），其系统内有一颗轨道周期近900天的巨行星。通过TESS卫星对宿主恒星长期光度观测的详细分析，精确测定了最大振幅频率（ ）、大频率间隔（Δ ）以及混合模周期间隔等星震学参数，这些参数不仅可以精确计算宿主恒星的质量、半径和表面重力，还成为区分赫罗图中极为贴近的RGB与RC演化阶段的关键指标——通常RC星的ΔΠ1值位于260至340秒之间，而RGB星则明显较低，仅在60至90秒左右。研究结论表明，宿主星HD 120084的ΔΠ1为304秒，HD 29399的ΔΠ1为83.6秒。而在此研究之前，通过星震学确认处于RC阶段的宿主恒星仅有一颗（8 UMi）。运行于RC星系统中的行星，意味着它逃脱了恒星氦闪阶段急剧膨胀并被吞噬的命运，因此，这项研究彰显了星震学在揭示恒星内部结构和演化状态方面的强大优势，为深入理解系外行星系统的演化命运提供了重要观测依据。利用Kepler和TESS卫星采集的长期光曲线数据，通过精确测量恒星的星震学参数，成功解析出多颗系外行星宿主星在演化过程中的细微差别，从而确认了它们分别处于亚巨星和红巨星阶段。该研究针对KOI-75、Kepler-643、Kepler-815、Kepler-1004及KOI-2640这五颗展现类太阳振荡信号的系外行星宿主星进行了深入分析。研究发现，KOI-75处于亚巨星阶段（SG），其余四颗宿主恒星处于不同演化程度的RGB阶段。更为重要的是，通过数值演化模型，发现这五颗宿主恒星的行星均会在宿主发生氦闪前被吞噬。基于星震学参数，对四颗拥有已确认系外行星的晚期演化宿主星——HD 5608、7 CMa、HD 33844和HIP 67851——进行了精细测量，成功校准了宿主星的质量、半径、表面重力等关键物理参数，从而对四个系统内的共计7颗行星的质量下限和轨道半长轴进行了全新修正。此四颗宿主恒星所拥有的行星，均由视向速度法发现，因此行星参数强烈依赖于对宿主恒星质量的测定，而星震学提供了与传统光谱学全然不同的恒星质量测定方式。此次工作将星震学方法与传统径向速度技术相结合，实现了对系外行星参数的跨学科校准。同样是利用星震学间接对系外行星参数的测定，本研究提出了一套全面参数测定框架，通过星震学对宿主星进行精细诊断，从而大幅提升了系外行星参数（如质量、半径和轨道特性）的精度。该方法以Kepler和TESS获取的长时间高精度光变数据为基础，利用恒星的振荡频率（包括大频距和最大振幅频率）精确推导出宿主星的质量、半径以及年龄，并将这些高精度的宿主星参数作为先验条件引入贝叶斯统计模型中，通过马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样进一步收敛出行星参数的后验分布。此框架可应用于视向速度法发现的行星、凌食法发现的行星，也可应用于结合视向速度与凌食数据全面测定参数的行星。上述研究成果不仅显著提高了宿主恒星与系外行星物理参数测定的准确性，更深入揭示了宿主恒星后期演化阶段与行星轨道动力学之间复杂而丰富的交互作用。这为理解高龄恒星系统的多样化结局提供了新的观察视角，也为恒星内部结构与晚期演化理论提供了宝贵的观测约束，甚至可进一步启发太阳系未来遥远演化阶段的理论预测。未来随着PLATO等空间望远镜及地面高分辨率光谱仪的深入观测，以及机器学习等新兴数据分析技术的应用，本研究开拓的星震学与行星学交叉领域将持续带来新的发现与突破，进一步丰富人类对宇宙中恒星与行星协同演化图景的理解。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28965]  |
| 专题 | 云南天文台_双星与变星研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 林文徐. 基于宿主恒星的星震学分析揭示系外行星的命运[D]. 北京. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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