超级地球的潮汐效应研究

Observations of exoplanets reveal that many super-Earths are in very close-in orbits. These super-Earths provide rich samples for the investigation of tidal effects within these objects. Many important physical processes during the formation of super-Earth involve tidal interactions. The gravitational effects of host stars raise gravitational tides inside the super-Earths. The thermal effects of the host stars induce thermal tides within the super-Earths. Thermal tides would push the super-Earths away from the synchronous rotation state. It has fundamental effects on the habitability of super-Earths. Investigation of the tidal effecs, including both gravitational and thermal tides, is crucial for our understanding of their formation and habitability. We will focus on two issues: 1. How tidally forced turbulence would influence the formation and internal structure of super-Earths. 2. How the thermal tides interact with the rotation of super-Earths.

天文观测已发现许多距离中央恒星很近的超级地球，这些超级地球为研究其内部的潮汐效应提供了丰富的样本。超级地球的形成过程中很多重要的物理过程都与潮汐相互作用息息相关。大家熟知的潮汐是由中央恒星的引力效应所引起的。除此之外，恒星的热效应也会产生潮汐。热潮汐会使超级地球偏离同步自转状态，对于建立“宜居”的行星气候具有重要意义。深入研究潮汐作用（包括引力潮汐和热潮汐）是理解超级地球形成和“宜居性”的重要基础。本项目主要关注和超级地球的形成和自转演化相关的两个问题：1. 研究潮汐致湍流对超级地球形成和内部结构的影响，并利用数值实验从第一性原理估计超级地球的潮汐致湍流的扩散系数的大小。2. 深入理解热潮汐和超级地球自转的相互作用：研究热潮汐如何影响超级地球的自转演化以及快速自转的超级地球如何影响热潮汐。

行星内部的潮汐效应在其形成过程中扮演着重要的作用。除了引力潮汐效应，我们还研究了热潮汐效应。我们发现热潮汐会在行星外部包层激发重力内波，并引起相应的角动量传输，热潮汐导致系外行星偏离同步自转状态，这对于建立“宜居”的行星气候具有重要意义。我们研究了转动行星内部的辐射对流边界对行星内部动力学潮汐传播的影响。波在辐射对流边界处的反射和透射敏感的依赖于旋转和分层效应的强弱。旋转行星内部多重对流区内，存在传播共振与穿隧共振两种有效的透射机制。对于强密度分层，在波长和分层厚度满足一定的关系下，惯性波和重力波可以通过传播共振和穿隧共振这两种非常有效机制的穿透对流区。我们还研究了旋转如何影响系外行星形成早期的吸积演化历史，我们发现旋转将使行星的内部辐射对流边界的位置往行星内部深处移动，这将减小行星的辐射冷却光度，延长行星的吸积时标，有利于延缓失控吸积，避免形成气态巨行星，使系外行星保持为超级地球状态。