膨脹的氦行星可以解釋系外行星大小之謎 _行星

一顆恒星慢慢蒸發(fā)軌道行星大氣層的插圖。(Image credit: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)
據(jù)美國太空網(wǎng)（By Keith Cooper）：氦可能占遷移到其恒星附近的巨大系外行星大氣質(zhì)量的近一半，這解釋了為什么這些世界的規(guī)模存在神秘的大小差距。
現(xiàn)在已經(jīng)確認了超過5200顆系外行星，其中許多是圍繞其恒星運行的較大行星，在某些情況下，軌道周期僅持續(xù)幾天。然而，首先由美國宇航局開普勒太空望遠鏡進行的凌日觀測，以及現(xiàn)在由過境系外行星調(diào)查衛(wèi)星TESS進行的凌日觀測，發(fā)現(xiàn)半徑在地球半徑1.4至2.4倍之間的行星令人困惑地缺乏。天文學家稱之為“半徑谷”,雖然它似乎告訴我們一些關(guān)于行星的性質(zhì)、形成和演化的基本信息，但科學家們尚未確定那是什么。
現(xiàn)在，由密歇根大學的博士生Isaac Malsky和芝加哥大學的Leslie Rogers領(lǐng)導的團隊對半徑谷進行了新的研究，表明它可能標志著比地球大2.4倍的世界的大氣中氦氣越來越豐富。這種規(guī)模的世界通常被描述為迷你海王星，如果它們有一個巖石內(nèi)核，它就在厚厚的大氣層之下。
在它們生命的早期，雖然仍在由氣體和塵埃組成的原行星盤中形成，但在遠離恒星的地方形成的行星可以向內(nèi)遷移。它們越靠近自己的恒星，受到恒星熱量和輻射的影響就越大，恒星風和耀斑的混合可以逐漸消除發(fā)射線上行星的大氣。當這種情況發(fā)生時，當氣體被剝離，留下一個裸露的巖石核心時，行星可以長出一條彗星般的尾巴。
這些星球的大氣主要由氫和氦構(gòu)成。在我們的太陽系中，木星是這種大氣構(gòu)成的一個很好的例子，90%是氫，10%是氦。然而，氫比氦輕，更容易逃逸到太空中。
馬爾斯基和羅杰的團隊設(shè)計了一個計算機模型，模擬了70，000顆不同大小、不同溫度、圍繞不同恒星運行的巨大系外行星，以觀察來自其附近恒星的熱量對其大氣層的影響。他們發(fā)現(xiàn)氫的確比氦被移除得更快，導致氫的豐度相對于氦的存在量減少。
在最極端的情況下，他們模擬的一些行星的大氣中氦的質(zhì)量超過40% 。這些氦世界將占據(jù)較高尺寸范圍的底端，半徑比地球大約2.4倍——無論它們的大氣層富含氫或氦，來自其附近恒星的熱量仍會導致大氣層膨脹，增加行星的半徑。

一顆紅矮星(左上)發(fā)出的紫外光正緩慢蒸發(fā)系外行星的大氣層。(Image credit: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)
半徑谷另一邊的較小世界，半徑是地球的1.4倍或更?。?會失去所有的氫和氦，也沒有明顯的大氣層，將它們的半徑限制在巖石核心的半徑范圍內(nèi) 。有可能失去了原始大氣，這些行星會釋放出一種新的更稀薄的類似地球的大氣。但是，如果它們離恒星的距離比地球離太陽的距離近得多，那么它們也將面臨一場爭奪新大氣層的戰(zhàn)斗。
羅杰斯在一份聲明中說:“外面有這么多奇怪而奇妙的系外行星，這一發(fā)現(xiàn)不僅增加了一個新的種類，而且可能對理解行星的進化和形成有所啟示。”“更好地了解這一群體可以告訴我們許多關(guān)于亞海王星大小的行星的起源和演化，這顯然是行星形成過程的常見結(jié)果。”
這些新發(fā)現(xiàn)支持了早期的研究，該研究認為，不僅行星在遷移到更靠近其恒星的位置時會失去厚厚的原始大氣，而且一個系統(tǒng)中多個行星的向內(nèi)遷移可能會將世界鎖定在引力共振鏈中，就像“豆莢中的豌豆”
氦盡管是宇宙中第二常見的元素，但僅在2018年首次在一顆系外行星上檢測到。然而，隨著美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)的發(fā)射，天文學家們的工具包中有了一個新的儀器來探測系外行星上的大氣氣體。如果半徑谷確實是行星過于靠近其恒星并將其大氣沖擊加熱到太空的結(jié)果，那么JWST可以通過對半徑約為地球半徑2.4倍的高溫行星進行光譜分析來確定其大氣中氦的豐度，從而提供觀測證據(jù) 。
結(jié)果發(fā)表在《自然天文學》上。