为什么膨胀的系外行星经常以完美的节奏跳舞

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图中显示了一颗围绕一颗黄色恒星运行的亚海王星行星。这个星球是否膨胀取决于它的共振。（图片来源：NASA、ESA、CSA和D.Player（STScI））

据美国太空网（Robert Lea）：行星科学家发现，与其他行星系统同步运行的次海王星行星的密度比不同步的行星低。

尽管明显不在太阳系中，但银河系中最常见的行星被称为“亚海王星”，即大小介于地球和冰巨星海王星之间的世界。据估计，30%至50%的类太阳恒星至少被一颗亚海王星环绕，但尽管这些世界无处不在，研究太阳系外行星或系外行星的科学家传统上难以测量亚海王星的密度。

根据这些测量所使用的技术，亚海王星似乎分为两类：“蓬松”和“非蓬松”。然而，问题是亚海王星是否真的有两个不同的种群，或者这些差异是否是测量密度的方法造成的。在这方面，日内瓦大学（UNIGE）和伯尔尼大学（UNIBE）的新研究表明，实际上存在两个物理上不同的亚海王星家族。膨胀的海王星亚型更有可能与它们的行星兄弟产生共鸣。

与行星伙伴一起华尔兹

例如，当一颗行星完成一个轨道，而另一颗行星则完成两个轨道时，行星就被认为是共振的。

最近发现的一个非同寻常的共振行星系统是HD 110067，它距离地球100光年。这个系统中的六个亚海王星世界以精确的宇宙华尔兹相互环绕。内行星在9.1个地球日内完成轨道运行，下一颗行星在13.6天内退出轨道，第三颗行星在20.5天内，第四颗行星在30.8天内，第一颗行星在41天内，最外层行星在54.7天内。

因此，对于恒星的每一个轨道，外行星完成，内行星完成六个轨道。这意味着这些亚海王星被认为处于6:1的共振中。HD 110067系统中不同行星对之间的其他共振是3:2、3:2、3-2、4:3和4:3。

这种有节奏的舞蹈在明亮的橙色恒星HD 110067周围已经存在了大约40亿年，大约相当于太阳系存在的时间。然而，尽管它很有趣，但它并没有告诉我们为什么这个系统中的亚海王星似乎密度较低。

这项新研究背后的团队对共振亚海王星的亮度提出了一些可能的解释；最有可能的是，这一过程与这些物质的形成方式有关。



这六颗行星以和谐的节奏围绕着它们的中心恒星HD 110067运行，每隔几圈行星就会对齐。（图片来源：Thibaut Roger，NCCR Planets）

研究小组表示，所有行星系统在早期存在时都有可能汇聚成共振链。然而，他们认为只有5%的系统能够保持这种节奏。

共振链的断裂可能导致一系列灾难性事件，行星撞击在一起，并经常合并成密度更大的砾岩世界。该团队表示，这意味着共振链系统也可以保持其蓬松的亚海王星，因为碰撞和合并增加了非共振系统中相同行星的密度。

UNIBE空间研究和行星科学部教授、发现团队成员Yann Alibert在一份声明中表示：“过去二十年来，我们在伯尔尼开发的行星系统形成和演化的数值模型正是再现了这一趋势：共振行星的密度较低。”。“此外，这项研究证实，大多数行星系统都是巨大碰撞的发生地，与产生月球的行星系统相似，甚至更剧烈。”

海王星下的混淆和探测偏差

为了估计行星的密度，天文学家需要两条信息：行星的质量和半径。用于获得质量测量的两种方法是凌日时变法（TTV）和径向速度法，前者仅在行星从地球上的有利位置穿过其恒星表面时有效，后者使用行星对其恒星施加的引力来测量质量。

UNIGE理工学院天文学系的团队成员Jean-Baptiste Delisle在声明中表示：“TTV方法涉及测量凌日时间的变化。同一系统中行星之间的引力相互作用将略微改变行星经过其恒星前方的时刻。”。“另一方面，径向速度法包括测量恒星周围行星的存在引起的速度变化。”

科学家们意识到，TTV方法往往会发现密度低于径向速度技术测量的亚海王星行星。

通过进行统计分析，该团队发现，径向速度法需要更多的时间来探测大质量和低质量的行星，如蓬松的亚海王星。这意味着在估计行星质量之前，使用径向速度的观测更有可能被中断。这导致了以径向速度法为特征的行星偏向于更高的质量和密度，而密度较低的行星被排除在外。

进一步的研究表明，TTV方法不仅更有可能探测到密度较低的系外行星，而且这些行星在共振系统中的密度也低于非共振系统中，无论使用何种方法来确定它们的质量。

随着两个不同的亚海王星家族的存在得到证实，以及膨胀行星和共振行星系统之间的联系被发现，科学家们能够更好地了解我们银河系最常见行星类型的演化。

他们也许很快就能最终解释为什么我们的太阳系缺少这样一个世界。

该团队的研究成果发表在《天文学与天体物理学》杂志上。