研究人员借助行星缩小解开宇宙失踪世界之谜

在研究开普勒太空望远镜的数据时，Flatiron研究所的研究人员发现，数十亿年来行星的缩小可能解释了一个长达一年的谜团：约为地球两倍大小的行星的稀缺性。虽然寻找系外行星的任务已经发现了数以千计的围绕遥远恒星运行的世界，但严重缺乏半径为地球1.5至2倍的系外行星。这是介于岩质超级地球和被称为迷你海王星的较大的气体笼罩的行星之间的中间地带。自从2017年发现这个 “半径差距 ”以来，科学家们一直在调查为什么中等大小的天体如此之少。

新的线索产生于一种看待数据的新方法。由Flatiron研究所的Trevor David领导的一个研究小组调查了“半径差距 ”是否会随着行星的老化而改变。他们将系外行星分为两组--年轻的和年老的--并重新评估了差距。他们发现，年轻组中最不常见的行星半径平均比年长组中最不常见的行星小。虽然年轻的行星最稀少的尺寸大约是地球半径的1.6倍，但在较老的年龄段，它大约是地球半径的1.8倍。

研究人员提出，这意味着一些迷你海王星在几十亿年的时间里急剧缩小，因为它们的大气层已经消失，只留下了一个固体核心。由于失去了气体，这些迷你海王星 "跳过 "了行星半径的差距，成为超级地球。随着时间的推移，半径差距会随着越来越大的迷你海王星的跳跃而发生变化，变成越来越大的“超级地球”。换句话说，这个差距是最大尺寸的“超级地球”和最小尺寸的迷你海王星之间的鸿沟，这些迷你海王星仍然可以保留其大气层。研究人员于2021年5月14日在《天文学杂志》上报告了他们的发现。

来自纽约市Flatiron研究所计算天体物理学中心(CCA)的研究员David说：“首要的一点是，行星不是我们有时倾向于认为的岩石和气体的静态球体。在以前提出的一些大气层损失模型中，其中一些行星在其生命之初要大10倍。”

这些发现使以前提出的两个疑点得到了证实：行星形成时留下的热量和宿主恒星的强烈辐射。这两种现象都会在行星的大气层中增加能量，导致气体逃逸到太空。"David说：“可能这两种效应都很重要，但我们需要更复杂的模型来说明它们各自的贡献有多大以及何时在行星的生命周期中。”

该论文的共同作者包括CCA研究员Gabriella Contardo、CCA副研究科学家Ruth Angus、CCA副研究科学家Megan BeDELL、CCA副研究科学家Daniel Foreman-Macey和CCA客座研究员Samuel Grunblatt。

这项新研究使用了开普勒航天器收集的数据，该航天器测量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，来自恒星的观测光线会变暗。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“半径差距 ”的发现。

科学家们之前提出了一些潜在的缺口产生机制，每个过程都发生在不同的时间尺度上。一些人认为，差距发生在行星形成过程中，当时一些行星的形成没有足够的附近气体来膨大其体积。在这种情况下，行星的半径，因此也就是半径缺口，会在诞生时就被印证了。另一个假设是，与太空岩石的碰撞可能会炸掉行星的厚重大气层，阻止较小的行星积累大量的气体。这种撞击机制大约需要1000万到1亿年。

其他潜在的机制需要更多的时间。一个建议是，来自行星宿主星的强烈X射线和紫外线辐射会随着时间的推移将气体剥离。这个过程被称为光致蒸发(photoevaporation)，对大多数行星来说需要不到1亿年的时间，但对某些行星来说可能需要数十亿年。另一个建议是，行星形成时的残余热量会慢慢地将能量添加到行星的大气层中，导致气体在数十亿年的时间里逃到太空中。

David和他的同事们通过仔细观察缺口本身开始了他们的调查。测量恒星和系外行星的大小是很棘手的，所以他们清理了数据，只包括那些直径被确信为已知的行星。这种数据处理揭示了一个比以前认为的更大的差距。然后，研究人员根据这些行星是否比20亿年前年轻或年长进行了分类。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。

研究结果表明，较小的迷你海王星无法保持其气体的存在。经过数十亿年的时间，气体被剥离，留下了一个大部分是固体的“超级地球”。这一过程对于较大的迷你海王星来说需要更长的时间，但不会影响到最巨大的气态巨行星，它们的引力足以保持其大气层。

“半径差距 ”经过数十亿年的演变这一事实表明，罪魁祸首不是行星碰撞或行星形成的固有特征。David说，来自行星内部的残余热量逐渐剥离大气层是一个很好的契机，但是来自母星的强烈辐射也可能起到作用，特别是在早期。下一步是科学家们更好地模拟行星如何演化，以确定哪种解释发挥了更大的作用。这可能意味着考虑额外的复杂性，如新生大气层和行星磁场或岩浆海洋之间的相互作用。