系外行星“半徑谷”如何形成和演化？科學(xué)家給出答案

近期，一支國際聯(lián)合研究團隊利用我國郭守敬望遠鏡(LAMOST)并結合國際上的蓋亞(Gaia)和開(kāi)普勒(Kepler)空間望遠鏡數據，得到了行星半徑分布隨宿主恒星年齡和金屬豐度的演化規律。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《天文學(xué)雜志》。

據悉，20世紀90年代至今，人類(lèi)發(fā)現的系外行星已超過(guò)5000顆。但迄今為止發(fā)現的最豐富的行星類(lèi)型既不是氣態(tài)巨行星也不是巖石行星，而是太陽(yáng)系中沒(méi)有的，大小介于地球和海王星之間的行星。

其中，比地球略大(約1～2倍地球半徑)的稱(chēng)為“超級地球”，比海王星略小(約2～4倍地球半徑)的稱(chēng)為“亞海王星”。這些行星的結構是怎樣的呢?它們又是如何形成和演化的呢?

隨著(zhù)系外行星大量被發(fā)現，科研人員對其大樣本的統計表明，行星出現率在行星大小為兩個(gè)地球半徑附近存在一個(gè)低谷，稱(chēng)為“行星半徑谷”。這一發(fā)現為揭示行星的內部結構提供了關(guān)鍵的新線(xiàn)索和方向。

已有的研究認為，半徑谷左側的超級地球是放大版的地球，在更大的石質(zhì)內核外包裹著(zhù)稀薄大氣，但右側亞海王星的結構尚不清楚。

關(guān)于這個(gè)行星半徑谷的形成機制，目前研究提出的理論模型一般可分為兩類(lèi)：演化模型和原初形成模型。

演化模型認為，亞海王星由石質(zhì)內核和厚厚的氣體包層組成。在外部恒星的輻射(稱(chēng)為光致蒸發(fā))或者行星內核儲存的熱量(稱(chēng)為行星核熱)的作用下，部分亞海王星的大氣包層被剝離，僅留下了石質(zhì)內核，也就是超級地球。

原初演化模型認為，半徑谷是行星形成的自然結果，如一些研究認為其兩側分別對應著(zhù)成分不同的兩類(lèi)行星：致密石質(zhì)超級地球和富水/冰的亞海王星(如表面被數百到數千公里的海洋覆蓋的“海洋行星”)。

國際聯(lián)合研究團隊采用估計年齡的運動(dòng)學(xué)方法，即借助LAMOST和Gaia的觀(guān)測數據對Kepler行星系統的宿主恒星的運動(dòng)速度做精確刻畫(huà)，并以此估計年齡，研究了系外行星“半徑谷”隨宿主恒星年齡和金屬豐度的演化規律。

他們發(fā)現，隨著(zhù)年齡的增大，亞(類(lèi))海王星的平均半徑逐漸減小，而超級地球的平均半徑則幾乎不變。這很可能意味著(zhù)亞海王星年輕的時(shí)候包含足夠厚的氣體包層，隨著(zhù)年齡增大，行星逐漸冷卻，包層收縮，半徑減小。這一結果更加支持演化模型，表明(至少部分)亞海王星是氣體矮巨星。

他們還發(fā)現行星“半徑谷”在恒星形成早期已初步形成，并隨著(zhù)年齡增大而越來(lái)越明顯。同時(shí)超級地球和亞海王星的數量比也越來(lái)越大，這也與演化理論的預期一致：部分亞海王星(氣體矮巨星)被剝離大氣，演變?yōu)槌壍厍颉?/p>

從定量上看，行星半徑在早期通過(guò)光致蒸發(fā)效應初步形成，后期在行星核熱的作用下進(jìn)一步加強。此外，研究發(fā)現亞海王星更傾向于出現在富鐵和富鎂/硅/鈣的恒星周?chē)?，表明金屬元?(鐵、鎂、硅、鈣等) 在亞海王星的形成中發(fā)揮了重要作用。

研究人員透露，這篇文章是"系外行星的空間分布和年齡演化"(英文簡(jiǎn)稱(chēng)為PAST，中文簡(jiǎn)稱(chēng)"穿越")系列的第三篇文章，更多"穿越"系列的后續工作正在進(jìn)行和準備中。(作者：沈春蕾 )

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關(guān)鍵詞： 行星結構 系外行星 開(kāi)普勒空間望遠鏡 亞海王星