模拟揭示了超级地球尺寸分布的神秘差距

系外行星的艺术表现形式，其表面冰在接近系统中心恒星时蒸发形成大气层。与原始位置的值相比，此过程增加了行星的测量半径。图片来源：uux.cn/Thomas Muller (MPIA)

根据马克斯·普朗克学会的说法，通常在太阳系等不断演化的行星系统中，行星会在稳定的轨道上围绕中心恒星运行。然而，有许多迹象表明，一些行星在其早期演化过程中可能已经向内或向外迁移，远离了它们的诞生地。

这种行星凌日现象可能解释了多年来困扰研究人员的一个观察结果：系外行星数量相对较少，大约是地球大小的两倍，被称为径向山谷或间隙。相反，有许多比这个尺寸更小和更大的系外行星。

海德堡马克斯·普朗克天文学研究所(MPIA) 的系外行星研究员雷莫·伯恩(Remo Byrne) 解释说，对六年前开普勒太空望远镜： 的数据进行重新分析后发现，一颗系外行星的半径约为地球半径的两倍。报告本文所述结果的文章的主要作者，目前发表于《自然天文学》。

半径谷从哪里来？

“事实上，我们和其他研究小组根据我们的计算预测，在这次观测之前，这样的差距一定已经存在，”来自国家行星研究能力中心（NCCR）的Erdaceni 的合著者克里斯托弗·莫（Christopher Moh）说。解释道。他是伯尔尼大学空间研究和行星科学系的系主任。这一预测来自他在MPIA 大学担任科学家时的情况，该大学多年来一直与伯尔尼大学一起研究这一领域。

解释这些径向山谷出现的最常见机制是，由于来自中心恒星的辐射，特别是氢气和氦气等挥发性气体，行星可能失去了部分原始大气。 “但这种解释忽略了行星运动的影响，”伯恩澄清道。

大约40 年前就已经确定，在某些条件下，行星可以随着时间的推移在行星系统中向内和向外移动。这些运动的效率及其对行星系统发展的影响程度将影响它们对径向山谷形成的贡献。

神秘的海王星下

间隙周围的大小范围内栖息着两种类型的系外行星。一方面，有一些岩石行星可能比地球还要大，所以它们被称为超级地球。另一方面，天文学家越来越多地在遥远的行星系统中发现所谓的子云系统（也称为迷你云系统），这些系统平均比超级地球稍大。

“但是我们的太阳系中没有这样的系外行星，”伯恩说。 “所以即使在今天我们也不能完全确定它的结构和组成。”

然而，天文学家普遍认为这些行星比岩石行星拥有更广阔的大气层。因此，我们对这些亚云系统特性如何影响径向间距的理解尚不清楚。这种差距是否意味着两个世界以不同的方式存在？

系外行星的数量在1.6 到2.2 之间减少，在分布中形成了明显的低谷。相反，还有更多尺寸为地球半径1.4至2.4倍的行星。最新的模拟首次考虑了水的真实特性，表明在行星系统内移动的冰冷行星会产生厚厚的水蒸气大气。这使得它看起来比原来的位置更大。这会在大约2.4 个地球半径处产生峰值。与此同时，较小的岩石行星随着时间的推移失去了一些原来的气体包层，缩小了它们的测量半径，累积了大约1.4 个地球半径。致谢：uux.cn/MPIA·Mordaceni Byrne

流浪的冰星球

日内瓦大学的朱莉娅·文图拉尼(Julia Venturani) 总结道：“基于我们在2020 年发布的模拟结果，最新结果表明并证实，海王星以下的出生后演化对观测到的径向极小值有显着贡献。”她是行星合作组织的成员，并领导了2020 年的研究。

在海王星下方观测到的分布中确实应该缺少一个维度，即海王星诞生地的冰冷区域，那里的行星几乎接收不到来自恒星的温暖辐射。当这些被认为是冰冷的行星靠近它们的恒星时，冰融化，最终形成厚厚的水状大气层。

这个过程导致行星的半径转变为更大的值。最终，用于测量行星半径的观测结果无法判断所确定的大小是由于行星的固体部分还是其额外的致密大气层所致。

与此同时，正如之前的图像中已经暗示的那样，这颗岩石行星由于大气层的丧失而“缩小”。总体而言，这两种机制都缺少一颗半径约为地球两倍的行星。

模拟行星系统的物理计算机模型

“伯尔尼-海德堡小组的理论工作极大地增进了我们对过去行星系统的形成和组成的理解，”MPIA 主任托马斯·亨宁(Thomas Henning) 解释道。 “因此，目前的研究是多年联合准备工作和物理模型不断改进的结果。”

最新结果来自使用跟踪行星形成和随后演化的物理模型的计算。它们涵盖了新行星在年轻恒星周围的气体和尘埃盘中形成的过程。这些模型包括大气的出现、各种气体的混合及其径向运动。

“这项研究的关键是水在行星和大气中的压力和温度下的行为，”伯恩解释道。了解水在不同压力和温度下的行为对于模拟至关重要。近年来，这些知识已经达到足够的质量。正是这种配置允许对海王星下的行为进行现实计算，从而解释温暖地区广阔大气的行为。

“在这种情况下，观察分子水平的物理特性如何影响大规模天文过程（例如行星大气的形成）是非常有趣的，”亨宁补充道。

莫达塞尼说：“如果我们将研究结果扩展到水呈液态的较冷地区，这可能表明深海中存在水世界。” “由于它的大小，这颗行星可能蕴藏着生命，并且是搜索生物标记相对容易的目标。”

未来的工作

然而，目前的工作只是一个重要的里程碑。虽然模拟的尺寸分布与观察到的尺寸分布非常接近，并且径向间距也处于正确的位置，但在细节上仍然存在一些差异。例如，在计算中，太多的冰行星距离其中心恒星太近。尽管如此，研究人员并不认为这种情况是一个缺点，并希望通过这种方式更多地了解行星迁移。

使用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST) 或正在建设的极大望远镜(ELT) 等望远镜进行观测也可能有所帮助。他们可以根据行星的大小确定行星的组成，并为此处描述的模拟提供测试。

参与这项研究的MPIA 科学家是Remo Byrne 和Thomas Henning。

其他研究人员包括Christoph Mordasini（瑞士伯尔尼大学）、Lokesh Mishra（瑞士日内瓦大学（Unige））、Jonas Halde Mann（Unibe）、Julia Venturi ni（Unige）和Alexandre Emsenhuber（路德维希马克西米利安大学和Unibe）。

NASA的开普勒太空望远镜在2009年至2018年期间搜寻了其他恒星周围的行星，并在其运行过程中发现了数千颗新的系外行星。该行星采用凌日方法：其轨道是倾斜的，并且当该平面位于望远镜视场内时，该行星会定期阻挡其绕轨道运行的恒星的一些光线。恒星亮度的周期性波动使我们能够间接探测行星并确定它们的半径。