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为探究多颗短周期行星构成的致密系外行星系统的形成机制，研究人员开展其起源研究。发现此类系统是内流阶段行星吸积的残留，质量由吸积与迁移平衡调控，总质量与恒星质量比约为 3×10?5 至 10?4，解释了质量比相似性。
在浩瀚宇宙中，系外行星的探索一直是天文学的热门领域。其中，由多颗短周期行星组成的致密系外行星系统（轨道半径仅为宿主恒星半径的 10 至 102 倍，且行星质量以固态为主、轨道共面近圆）备受关注。然而，这类系统究竟如何形成，为何其总质量与恒星质量的比值（约 3×10?5 至 10?4）呈现出显著的一致性，以及它们如何在持续百万年的原行星气体盘中存活下来，一直是困扰科学界的难题。传统模型假设行星吸积始于气体和固体向内流至原行星盘结束之后，但观测证据却显示吸积可能更早开始，这使得致密系统的起源谜团更加扑朔迷离。
为解开这些谜题，美国西南研究院（Southwest Research Institute）的研究人员 Raluca Rufu 和 Robin M. Canup 开展了深入研究。他们提出，致密系统可能是在吸积盘内流最后阶段形成的行星吸积残留。相关研究成果发表在《Nature Communications》上，为理解系外行星系统的演化提供了全新视角。
研究人员主要运用了半解析模型和 N 体模拟两种关键技术方法。半解析模型用于分析气体盘的演化，考虑了内流速率、黏性扩散和光蒸发损失等因素，以确定气体盘消散时标与内流时标的比值（β=τg/τin）。N 体模拟则基于 SyMBA 代码，追踪行星在气体盘中的吸积和迁移过程，模拟了不同内流条件下行星的形成与演化，包括有无磁层腔对行星迁移的影响。
结果
内流阶段的行星吸积与迁移平衡
研究表明，在持续内流的盘区域，行星质量由内流固体吸积与气体驱动的向内迁移之间的平衡决定。当行星质量达到临界质量 Mcrit 时，其迁移时标 τacc 与 Type-I 迁移时标 τ1 相等，此时行星开始快速向内迁移。通过建立平衡方程，推导出系统总质量与恒星质量比（Mtot/M?）在 2×10?5 至 2×10?4 之间，与观测到的致密系统质量比一致。
数值模拟验证
模拟结果显示，无论是否存在磁层腔，系统最终质量比均落在观测范围内。当存在磁层腔时，行星迁移在腔边缘受阻，可形成更多共振链，使系统质量比略高；而无腔时，行星持续迁移导致质量比稍低。气体盘消散时标与内流时标的比值（β=1.3?2）对最终质量比有调控作用，β 越大，质量比越小，但在广泛参数范围内，系统质量比始终保持在 10?5 至 10?4 量级。
系统结构与演化
模拟生成的行星系统呈现 “豌豆荚” 式结构，行星质量相近（质量分配系数 Q<0.2），与观测到的 “类 Trappist-1” 系统相似。尽管初始模拟中行星多处于共振状态，但长期动力学不稳定会使轨道周期比演化至与观测一致，说明后期演化对系统结构的重塑作用显著。
讨论与意义
该研究打破了 “行星吸积始于内流结束后” 的传统假设，证明内流阶段的吸积与迁移平衡是致密系统质量比一致性的关键机制。研究还预测，系统质量比与恒星金属丰度的弱相关性（仅为金属丰度的 0.2-0.3 次方），与观测到的暖超级地球金属丰度弱依赖性吻合，为解释这一现象提供了理论支持。此外，研究指出内流区域（rc<1 au）与外流区域的行星形成机制不同，内流区受迁移平衡调控，而外流区可能形成巨行星，这为区分不同类型系外行星的起源提供了依据。
这项研究不仅解决了致密系外行星系统形成的核心谜题，还为理解行星系统的多样性提供了新框架，暗示早期吸积阶段在行星系统演化中扮演着远比想象更重要的角色。未来，随着观测技术的进步，对年轻恒星盘的进一步观测将有望验证模型预测，推动系外行星形成理论的深入发展。
