宇宙中的稀有“物种”——迷你海王星

研究人员用计算机模拟了行星尺寸分布与行星系统老化的关系。

人类已经通过行星搜索任务发现了数千颗遥远的行星，但尺寸为1.5~2倍地球半径的系外行星依旧十分罕见。这是一类介于岩质“超级地球”和被气体覆盖的大型行星之间的中间尺寸行星——“迷你海王星”。自2017年发现“半径缺口”以来，科学家们一直在尝试破解中等尺寸天体的缺失之谜。

phys.org网站当地时间5月17日报道，美国Flatiron研究所Trevor David领导的研究团队在《天文学期刊》中公布的数据处理新方法，为搜寻缺失的中等尺寸行星提供了新线索。研究人员将系外行星分为年轻组和年老组，重新评估了半径缺口。他们发现，年轻组中最罕见行星的平均半径，比年老组中罕见行星的半径更小。年轻组中的最小体积行星的半径为地球半径的1.6倍；而年老组的类似行星的半径为地球半径的1.8倍。

研究人员指出，这说明由于大气泄漏，部分迷你海王星在数十亿年的漫长岁月里急剧收缩，只剩下了一个固体核心。通过气体流失，迷你海王星跨越了半径缺口，成为超级地球。随着时间推移，跨越半径缺口的迷你海王星越来越大，转变成的超级地球也越来越大，半径缺口也随之变化。换言之，半径缺口是最大的超级地球和最小的仍保留大气层的迷你海王星之间的半径鸿沟。“最重要的是，行星并非由岩石和气体组成的静态球体。”David说，“在此前提出的大气损失模型中，有的行星在生命初期的体积是现在体积的10倍左右。”

这一发现为两大天文学疑点提供了依据：行星形成的剩余热量和来自主恒星的强烈辐射。这两种现象都会向行星大气层注入能量，导致气体逸入太空。David说：“可能这两种因素都很重要，但我们需要更复杂的模型来确定它们各自的影响程度，以及它们在行星生命周期中占据的时间段。”

此前，科学家们曾针对半径缺口现象提出不同的假设机制。有人认为，半径缺口产生于行星形成过程之中。当时行星附近没有足够气体使自身膨胀。在这种情况下，半径缺口会在行星诞生时就烙上印记。还有人认为，行星与太空岩石的碰撞事件炸毁了厚厚的大气层，使小型行星无法积累大量气体。这种碰撞机制大约需要1000万~1亿年时间。

研究人员通过更详尽的数据处理，发现了比之前更大的半径缺口。随后，他们以年龄20亿年为界对行星进行了分类分析。结果表明，较小的迷你海王星无法保留它们的气体。在数十亿年内，气体被逐渐剥离，留下固体超级地球。对较大的迷你海王星而言，这一过程需要更长的时间。但它不会影响最大的气体行星，因为它们强大的引力足以留住大气层。

研究人员表示，半径缺口演变历经数十亿年的事实表明，碰撞事件或行星形成时的固有特性并非“元凶”。David说：“虽然行星内部的残余热量逐渐从大气中逸出这一情况，很好地匹配了数据分析结果，但在早期，母恒星强烈辐射的影响也不容忽视。下一阶段，科学家们需要建立更完善的行星演化模型，以分辨两种因素孰轻孰重。” 

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编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：陈之涵

期刊来源：《天文学期刊》

期刊编号：0004-6256

原文链接：https://phys.org/news/2021-05-planets-mystery-universe-worlds.html

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