突破性发现：缩小的行星解释宇宙中罕见行星之谜

牧夫天文

中国最早的天文社区网站06-04 13:47

　　翻译：贺玉影

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　　原文链接：

　　https://scitechdaily.com/breakthrough-shrinking-planets-could-explain-mystery-of-universes-missing-worlds/

　　熨斗研究院的科学家通过研究开普勒空间望远镜得到的数据，认为长达数十亿年的行星缩小现象应该可以解释，为什么很少见到有地球两倍大的行星。

　　对上述罕见行星的研究如今有了突破。

　　尽管科学家们在宇宙中找到了数千颗系外行星，但1.5至2倍于地球半径的那种，即介于岩石状的超级地球和气态的迷你海王星之间的系外行星，它们却非常的罕见。自从2017年发现到这种“半径缺口”开始，科学家们就在研究为什么中等体型的天体会这么少。

　　观察数据的新角度带来了新线索。熨斗研究院的Trevor David领导的一组研究员调查了“半径缺口”是否随行星年龄变化。他们将系外行星们等分为二：年轻组和年老祖，然后重算了缺口。年轻组诸行星中最稀缺尺寸的数据的平均值，比年老祖最稀缺的尺寸要小。年轻组行星最稀缺的半径约为地球半径的1.6倍，年老祖的则是1.8。

　　研究人员提出：迷你海王星经过数十亿年后会缩小很多，因为它们的大气逐年逃逸，渐渐留下其固体的核，也使得它们跳过“缺口”，变成了超级地球。随着时间推移，越来越大的迷你海王星变成越来越大的超级地球，行星半径之间的“缺口”也就越来越大了。这个“缺口”，实际上也就是最大的超级地球跟最小的、但还能保有大气的迷你海王星之间尺寸上的鸿沟。研究结果发表在2021年5月14日的《天文期刊》上。

　　关于系外行星半径缺口的图示。图源：西蒙斯基金会

　　位于美国纽约市的熨斗研究院计算天体物理学中心的研究员David说道：“关键在于：我们往往认为行星是静止不动的岩石跟气体，但事实并非如此。”以前述某些大气流失的模型为例，“有些这种行星的诞生之初，其尺寸是它们后来的10倍。”

　　这一发现有利于之前的两种推测：行星形成之时会有剩余的热量，还有高温宿主星会发出强烈辐射。两种现象都给行星的大气增加了能量，使其逃逸至宇宙空间。David说道：“这两种影响应该都很重要，但我们还需要更复杂的模型来明白它们到底有多大的影响、在行星生命的什么阶段造成影响。”

　　本文的合作作者包括计算天体物理学中心的Research fellow Gabriella Contardo, Associate research scientist Ruth Angus, Associate research scientist Megan Bedell, Associate research scientist Daniel Foreman-Mackey 及 Guest researcher Samuel Grunblatt。

　　这项新研究使用了开普勒太空船收集的数据，它测量了来自遥远恒星的光线。当一颗系外行星在一颗恒星和地球之间移动时，来自恒星的光线看上去就会变暗。通过分析该行星绕其恒星运行的速度、恒星的大小以及变暗的程度，天文学家可以估计系外行星的大小。这些分析最终导致了半径缺口的发现。

　　行星大小分布如何随着行星系统的老化而变化。计算机模拟。虽然取决于行星的轨道周期，但两倍地球处的半径缺口十分明显。证据显示，随着由气体包裹的迷你海王星逐渐失去大气，留下固体的超级地球，半径缺口也随之变化。图中加亮了一个正在经历这一过程的行星（画成了一个有大气层的核），其大小的变化以右边的图标表示。

　　动画：Erik Petigura（加州大学洛杉矶分校），模拟：James Owen（伦敦帝国学院）。

　　对这个半径缺口的形成，科学家们以前就提出过一些可能的机制，每一种实现的时间都不一样。比如说，缺口是在行星形成之时就有的，因为有些行星在诞生时，它们附近没有足够多的气体来把它们变得很大。在这种情形下，行星半径也好，半径缺口也好，就会从最开始就固定下来。或者说，与太空岩石的相撞会撞走行星厚厚的大气，让较小的行星无法积累很多的大气。后面这一机制的实现粗略需要一千万到一亿年。

　　其他可能的机制还得花更多时间。其一是：行星的宿主星发射的强烈X光跟紫外线随着时间剥离了行星的大气。这种过程叫做“光致蒸发”，大多数行星用不到一亿年来完成，但有些行星却要用数十亿年。或者：行星形成之时剩余的热量缓慢的增加了行星大气的能量，致使大气以数十亿年的时间来逃逸至宇宙空间。

　　David和他的同仁们从仔细观察缺口本身来开始了这项研究。恒星跟系外行星尺寸的测量不敢说可靠，所以他们整理了数据，只保留了尺寸准确的那些。这样一来，出现了比原来更大的半径缺口。

　　然后他们以20亿年为界，把这些行星按年龄分类。由于一颗恒星和它的行星是同时形成的，他们根据恒星的年龄来确定每颗行星的年龄。

　　这些结果表明，较小的迷你海王星无法保持其气体。经过数十亿年，气体被剥离，留下了一个大部分是固体的超级地球。至于较大的迷你海王星，以后将会成为最大的超级地球的那些，对它们来说，这一过程需要更长的时间。但最巨大的气体行星不受影响，因为它们的引力足以保持其大气层。

　　半径缺口数十亿年间的演变表明，其根源不在于行星相撞或者天生差异。David说，行星内部残留热量逐渐剥离大气这一说法可称合理，但母星强烈的辐射也会是理由，尤其在早期。下一步要研究的就是哪种解释影响更大，包括考虑到额外的复杂性，比如新生大气层和行星磁场或岩浆海洋之间的相互作用。

　　参考资料

　　《系外行星大小分布的演变：数十亿年形成的大型超级地球》，作者Trevor J. David, Gabriella Contardo, Angeli Sandoval, Ruth Angus, Yuxi (Lucy) Lu, Megan Bedell, Jason L. Curtis, Daniel Foreman-Mackey, Benjamin J. Fulton, Samuel K. Grunblatt and Erik A. Petigura，《天文期刊》2021年5月14日。

　　DOI: 10.3847/1538-3881/abf439

　　日全食期间，3D软件模拟的地球，本影（黑色椭圆），半影（阴影椭圆），红色是日全食的路径。