模拟为超级地球尺寸分布的神秘差距提供了潜在的解释

哈耶萨鲁亚源

一颗系外行星的艺术表现，其表面的水冰在接近行星系统的中心恒星时不断蒸发并形成大气。与行星在其原始位置的值相比，这一过程增加了测量的行星半径。贷项:托马斯·穆勒（MPIA）

（）据马克斯·普朗克学会：通常，在演化的行星系统中，如太阳系，行星沿着稳定的轨道围绕其中心恒星运行。然而，许多迹象表明，一些行星可能在早期进化过程中通过向内或向外迁移而离开其出生地。

这种行星迁移也可以解释困扰研究人员多年的一个观察结果:大小约为地球两倍的系外行星数量相对较少，被称为半径谷或缺口。相反，还有许多比这个大小更小和更大的系外行星。

海德堡马普天文研究所（MPIA）的系外行星研究员雷莫·伯恩解释说:“六年前，对开普勒太空望远镜数据的重新分析显示，大小约为两个地球半径的系外行星短缺。”他是这篇文章的主要作者，这篇文章报道了这篇文章中概述的发现，现在发表在《自然天文学》上。

半径谷从何而来？

“事实上，我们和其他研究小组一样，根据我们的计算预测，甚至在这次观察之前，这样的差距肯定存在，”国家行星研究能力中心（NCCR）成员、合著者克里斯托夫·莫尔达西尼解释说。他是伯尔尼大学太空研究和行星科学系的负责人。这一预测源于他在MPIA大学担任科学家期间，该校多年来一直与伯尔尼大学共同研究这一领域。

解释这种半径谷出现的最普遍的机制是，由于中心恒星的辐射，行星可能会失去其原始大气的一部分，特别是像氢和氦这样的挥发性气体。“然而，这种解释忽略了行星迁移的影响，”Burn澄清道。

大约40年前就已经确定，在一定条件下，随着时间的推移，行星可以通过行星系统向内和向外移动。这种迁移的有效性以及它对行星系统发展的影响程度影响着它对形成半径谷的贡献。

神秘的亚海王星

两种不同类型的系外行星居住在间隙周围的大小范围内。一方面，有岩石行星，它们可能比地球更大，因此被称为超级地球。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亚云系（也称迷你云系），它们平均比超级地球略大。

“然而，我们在太阳系中没有这类系外行星，”Burn指出。“这就是为什么即使在今天，我们也不能完全确定它们的结构和组成。”

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，对这些子云系特征如何影响半径差距的理解一直是不确定的。这种差距是否意味着这两种世界的形成方式不同？



系外行星的数量在1.6到2.2之间减少，产生了一个明显的分布低谷。相反，有更多的行星大小约为地球半径的1.4倍和2.4倍。最新的模拟首次考虑了水的现实属性，表明迁移到行星系统内部的冰行星形成了厚厚的水蒸气大气层。这使得它们看起来比原来的地方要大。这些在大约2.4个地球半径处产生峰值。与此同时，较小的岩石行星会随着时间的推移失去部分原始气体包层，导致其测量半径缩小，从而导致约1.4个地球半径的积累。鸣谢:MPIA·莫尔达西尼·伯恩

流浪的冰行星

“根据我们在2020年已经发表的模拟，最新的结果表明并证实，相反，亚海王星诞生后的演化对观察到的半径谷有很大贡献，”日内瓦大学的朱莉娅·文图拉尼总结道。她是行星合作组织的成员，领导了2020年的研究。

在行星出生地的冰区，行星从恒星接收到的变暖辐射很少，亚海王星确实应该具有观测分布中缺失的尺寸。当这些可能是冰的行星迁移到离恒星更近的地方时，冰融化了，最终形成了厚厚的水蒸气大气。

这一过程导致行星半径向更大值移动。毕竟，用于测量行星半径的观测无法区分所确定的大小是由行星的固体部分造成的还是由额外的稠密大气层造成的。

与此同时，正如在前面的图片中已经暗示的那样，岩石行星因失去大气层而“缩小”。总的来说，这两种机制都缺乏大小约为两个地球半径的行星。

模拟行星系统的物理计算机模型

“伯恩-海德堡小组的理论研究已经大大推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·亨宁解释说。“因此，目前的研究是多年联合准备工作和不断改进物理模型的结果。”

最新的结果来自追踪行星形成和随后演化的物理模型的计算。它们涵盖了年轻恒星周围的气体和尘埃盘中产生新行星的过程。这些模型包括大气的出现、不同气体的混合和径向迁移。

“这项研究的核心是水在行星及其大气层内的压力和温度下的特性，”Burn解释道。理解水在各种压力和温度下的行为对模拟至关重要。这方面的知识只是在最近几年才具备足够的质量。正是这种成分允许对次海王星的行为进行现实的计算，因此解释了在较温暖地区广泛大气的表现。

“在这种情况下，分子水平上的物理特性如何影响大规模的天文过程（如行星大气的形成）令人瞩目，”亨宁补充道。

“如果我们将研究结果扩展到温度较低的地区，那里的水是液态的，这可能表明深海中存在水世界，”莫尔达西尼说。“由于它们的大小，这些行星可能存在生命，并且是寻找生物标志物的相对简单的目标。”

未来的工作

然而，目前的工作只是一个重要的里程碑。尽管模拟的大小分布与观察到的大小分布非常接近，并且半径差距在正确的位置，但细节仍有一些不一致。例如，在计算中，太多的冰行星离中心恒星太近了。尽管如此，研究人员并不认为这种情况是一个缺点，而是希望通过这种方式更多地了解行星移民。

用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）或在建的超大型望远镜（ELT）等望远镜进行观测也会有所帮助。他们将能够根据行星的大小确定行星的组成，从而为这里描述的模拟提供测试。

参与这项研究的MPIA科学家是雷莫·伯恩和托马斯·亨宁。

其他研究人员包括Christoph Mordasini（瑞士伯尔尼大学（Unibe））、Lokesh Mishra（瑞士日内瓦大学（Unige）和Unibe）、Jonas halde Mann（Unibe）、Julia venturi ni（Unige）和Alexandre Emsenhuber（Ludwig Maximilian大学和Unibe）。

美国国家航空航天局·开普勒太空望远镜在2009年至2018年期间搜索了其他恒星周围的行星，并在运行期间发现了数千颗新的系外行星。它利用了凌日法:当行星的轨道倾斜到平面位于望远镜的视线范围内时，行星在其轨道上周期性地遮挡恒星的部分光线。恒星亮度的这种周期性波动能够间接探测到行星并确定其半径。