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天文学家长期以来一直对近距双星周围几乎没有行星环绕的现象感到困惑。新的理论研究表明，微妙的相对论效应会缓慢地将这类行星推入极端且不稳定的轨道。随着时间推移，许多行星会消失，留下看似空旷的区域，这容易产生误导。来源： SciTechDaily

广义相对论有助于解释密近双星周围缺乏行星的原因，它会引发轨道共振，从而使靠近双星的行星被抛出 或毁灭。这一过程自然会形成一个难以探测到环绕双星运行行星的空白区。

在已知拥有行星的 4500 多颗恒星中，有一个趋势尤其令人费解。几乎所有恒星都预计会伴随着行星一起形成，而且很大一部分恒星诞生时是双星系统。然而，同时环绕两颗恒星运行的行星却出奇地罕见。

到目前为止，天文学家已经确认了 6000 多颗太阳系外行星，即系外行星，其中大多数发现来自美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜和凌日系外行星巡天卫星（ TESS ）。在所有 这些行星中，已知只有 14 颗围绕双星运行。根据科学家对行星形成的了解，应该有数百颗这样的行星。问题依然存在：像《星球大战》中塔图因那样拥有两个太阳的真实世界究竟在哪里呢？

加州大学伯克利分校和贝鲁特美国大学的天体物理学家提出了一个解释，说明为何已发现的环双星系外行星如此之少，他们指出爱因斯坦的广义相对论是关键因素。

轨道运动如何变得不稳定

在大多数双星系统中，两颗恒星的质量相近但并非完全相等，它们沿着狭长的椭圆轨道相互绕转。 一颗绕这两颗 恒星运行的行星会感受到持续变化的引力，这导致它的轨道随时间缓慢旋转。这种逐 渐的旋转被称为轨道进动，类似于旋转的陀螺在转动时的晃动方式。

恒星本身也会经历轨道进动，但原因不同。在它们的情况中，广义相对论起着主导作用。随着时间的推移，两颗恒星之间的潮汐力会使它们相互靠近。这种相互靠近会产生两个重要后果：恒星的轨道进动速度加快，而行星的进动速度减慢。当这两种速度变得相等时，就会发生共振相互作用。在那一刻，行星的轨道会大幅拉伸，使其在某一点运行到更远的地方，而在另一点则危险地靠近。

对环绕双星运行的行星最终为何会进入不稳定轨道并脱离该系统的逐步解释。来源：穆罕默德法哈特

有两种情 况可能发生：要么这颗行星与双星系统靠得非常非常近，遭受潮汐瓦解，或者被其中一颗恒星吞没； 要么它 的轨道会因双星的引力作用而发生显著改变，最终被逐出该星系，加州大学伯克利分校的米勒博士后研究员、该论文的第一作者穆罕默德法哈特（ MohammadFarhat ）说，在这两种情况下，行星都会消失。

为什么难以找到幸存的行星

法尔哈特强调，这一过程并不意味着双星完全没有行星。相反，只有在遥远轨道上运行的行星才能存活下来。不幸的是，从我们的视角来看，这些遥远的世界不太可能从它们的恒星前方经过，这使得利用开普勒和 TESS 所采用的凌日法来探测它们变得极其困难。

宇宙中肯定存在其他行星，只是用现有仪器很难探测到它们，共同作者、贝鲁特美国大学物理学教授吉哈德图马表示。

他们将研究结果发表在了《天体物理学杂志通讯》上。

环绕双星运行的行星荒漠

这 14 颗系外行星中，没有一颗位于彼此轨道周期小于约 7 天的紧密双星系统周围。

总体而言，环绕双星运行的行星数量稀缺，而在轨道周期为七天或更短的双星周围，此类行星更是几乎不存在，法哈特说，绝大多数食双星都是密近双星，而恰恰在这些系统周围，我们最有望发现发生 凌星现象 的环绕双星行星。

不稳定区域与行星形成失败

根据法哈特的说法，双星系统周围存在轨道不稳定区域，行星根本无法在这些区域存活。在这些区域内， 两颗恒星与行星之间复杂的引力相互作用要么将行星逐出系统，要么将其向内拉扯，直到行星与恒星合并或被恒星撕裂。有趣的是，已知的 14 颗环双星行星中有 12 颗的轨道刚好位于这个不稳定区域之外。这表明它们在更远的地方形成，之后向内迁移，因为在不稳定边界附近形成行星极其困难。

行星是自下而上形成的，通过将小型星子聚集在一起。但在不稳定区边缘形成行星，就像试图在飓风中把雪花粘在一起一样，他说。

法哈特此前曾 与图马合作 ，研究包括我们所在星系在内的各种恒星系统中行星轨道的形成和演化。 但图马也 对双黑洞和双星的轨道感兴趣。他意识到，广义相对论会改变行星围绕双星系统的运动方式，但他不确定这种影响是否足够强烈而值得关注。然而，在对系外行星进行更深入研究后，他提出，相对论产生的微妙引力推拉，再加上恒星缓慢地相互螺旋靠近，或许可以解释紧密双星周围行星缺失的谜团。

广义相对论 清除近 轨道行星

法哈特 和图马通过 详细的数学计算和计算机模拟表明，广义相对论极大地改变了环绕双星运行的行星的长期生存状况。他们的研究结果显示，相 对论效应会扰乱大约十分之八围绕紧密双星运行的行星，而在这些受到扰乱的行星中，约 75% 会被直接摧毁。

阿尔伯特爱因斯坦在 1915 年提出了广义相对论，将引力描述为质量对时空的弯曲。一个常见的例子是水星，它比其他任何行星都更靠近太阳运行，会经历额外的轨道进动，而牛顿定律无法解释这一现象。爱因斯坦的理论正确地解释了这一差异，为该理论提供了最早的证实之一。

从水星到双星

相同的物理规律适用于任何大质量天体近距离绕转的情况，包括致密双星系统。这些恒星可能在形成初期相距遥远，但形成过程中与周围气体的相互作用会在数千万年内 逐渐将它们拉近。随着它们越来越近，潮汐力会在数十亿年内继续缩小它们的轨道。一旦它们的轨道周期降至一周左右或更短，相对论进动就会变得越来越重要。它们最接近的点被称为近星点，随着恒星轨道的收紧，近星点的旋转速度会开始加快。

环双星系外行星的椭圆轴也会发生进动，这种情况是由于两颗恒星的引力牵引 —— 这是一个严格的牛顿过程。然而，随着双星彼此靠近，它们对行星的摄动逐渐减弱，进动也随之减慢。

随着双星的轨道进动增加，而系外行星的轨道进动减少，在某一时刻，它们会达到匹配并进入共振状态。计算表明，此时系外行星的轨道开始拉长 ，使其在轨道的最远点远离双星，但在近日点更靠近双星。当近日点进入不稳定区域时，系外行星要么被驱逐到该星系的遥远区域，要么离双星太近而被吞没。由于这种破坏发生得很 快，在恒星数十亿年的生命周期内只需几千万年，因此紧密双星周围的系外行星最终变得非常罕见。

共振、喷射或破坏

一颗陷入共振的行星会发现其轨道的偏心率变得越来越大，进动速度也越来越快，同时与正在收缩的双星轨道保持同步，图马说，在这个过程中，它会进入双星周围的不稳定区域，在那里，三体效应开始发挥作用，引力会清空这一区域。

以自然的方式形成这些紧密的双星系统 ，即周期小于 7 天的双星系统，你就能自然地消除这颗行星，而无需借助附近恒星的额外干扰或其他机制，法哈特说。

远矢补充说，同样的机制很可能会将多颗行星从双星系统中移除，尤其是那些否则可能会被开普勒或苔丝探测器探测到的行星。

系外行星之外的更广泛影响

研究人员目前正在将他们的模型应用于其他极端环境，包括围绕一对超大质量黑洞运行的恒星团。他们还在探索类似的相对论效应是否有助于解释为什么在双脉冲星（即一对能发射精确计时射电信号的快速旋转中子星）周围行星稀少。这些发现凸显了爱因斯坦理论的持续重要性，即便在那些一度被认为 可以完全用牛顿引力理论解释的系统中也是如此。

有趣的是，在爱因斯坦进行计算近一个世纪后，计算机模拟显示了相对论效应是如何使水星避免在太阳系中发生混沌扩散的。在这里，我们看到了类似的效应正在扰乱行星系统，图马说，广义相对论在某些方面稳定了行星系统，而在其他方面又扰乱了它们。

法尔哈特得到加州大学伯克利分校米勒基础科学研究所的资助。

BY: Robert Sanders, University of California - Berkeley

FY: AI

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