這位藝術(shù)家的概念展示了次海王星系外行星TOI-421 b可能的樣子。在一項(xiàng)新的航空航天研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了新的局?jǐn)?shù)據(jù)揭證據(jù)，表明這些類型的示系縮行星如何失去大氣層。圖像：uux.cn/美國(guó)國(guó)家航空航天局、外行歐空局、星正加空局和D. Player公司
（神秘的美國(guó)地球uux.cn）據(jù)美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室：一項(xiàng)新的研究可以解釋超級(jí)地球和亞海王星之間“失蹤”的系外行星。
一些系外行星似乎正在失去大氣層并縮小。航空航天在一項(xiàng)使用美國(guó)國(guó)家航空航天局退役的局?jǐn)?shù)據(jù)揭開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡的新研究中，天文學(xué)家找到了一個(gè)可能原因的示系縮證據(jù):這些行星的內(nèi)核正在從內(nèi)向外推開(kāi)它們的大氣層。
系外行星(太陽(yáng)系外的外行行星)有各種大小，從小的星正巖石行星到巨大的氣態(tài)巨行星。中間是美國(guó)多巖石的超級(jí)地球和有著蓬松大氣的更大的亞海王星。但是航空航天，科學(xué)家們一直在努力更好地了解一個(gè)明顯的局?jǐn)?shù)據(jù)揭缺失，即“大小差距”，即大小在地球1.5到2倍之間(或介于超級(jí)地球和亞海王星之間)的行星。
“科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)確認(rèn)探測(cè)到了超過(guò)5000顆系外行星，但直徑在地球1.5至2倍之間的行星比預(yù)期的要少，”加州理工學(xué)院/IPAC研究科學(xué)家杰西·克里斯蒂安森說(shuō)，他是美國(guó)國(guó)家航空航天局系外行星檔案館的科學(xué)負(fù)責(zé)人，也是《天文學(xué)雜志》新研究的第一作者。“系外行星科學(xué)家現(xiàn)在有足夠的數(shù)據(jù)可以說(shuō)這個(gè)差距不是僥幸。有什么東西在阻礙行星達(dá)到和/或停留在這個(gè)大小。”
研究人員認(rèn)為，這種差距可以解釋為某些次海王星隨著時(shí)間的推移失去了他們的大氣。如果行星沒(méi)有足夠的質(zhì)量，因此沒(méi)有足夠的引力來(lái)抓住它的大氣層，這種損失就會(huì)發(fā)生。因此，質(zhì)量不夠大的亞海王星會(huì)縮小到超級(jí)地球的大小，留下兩個(gè)行星大小之間的差距。
但是這些行星是如何失去大氣層的仍然是個(gè)謎。科學(xué)家們已經(jīng)確定了兩種可能的機(jī)制:一種被稱為核心動(dòng)力質(zhì)量損失；另一個(gè)是光蒸發(fā)。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了支持第一種觀點(diǎn)的新證據(jù)。

這張信息圖詳細(xì)描述了系外行星的主要類型。科學(xué)家們一直在努力更好地理解介于超級(jí)地球和亞海王星之間的行星的“大小差距”，或明顯缺失。圖片：uux.cn/美國(guó)宇航局/JPL加州理工學(xué)院
解開(kāi)謎團(tuán)
克里斯蒂安森說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)行星的熱核心發(fā)出的輻射推動(dòng)大氣層遠(yuǎn)離行星時(shí)，就會(huì)發(fā)生核心動(dòng)力質(zhì)量損失，“這種輻射正在從下面推動(dòng)大氣層”。
行星間隙的另一個(gè)主要解釋是光蒸發(fā)，當(dāng)行星的大氣層被其宿主恒星的熱輻射吹走時(shí)就會(huì)發(fā)生。在這種情況下，“來(lái)自恒星的高能輻射就像冰塊上的吹風(fēng)機(jī)，”她說(shuō)。
雖然光蒸發(fā)被認(rèn)為發(fā)生在行星的第一個(gè)1億年，但核心動(dòng)力的質(zhì)量損失被認(rèn)為發(fā)生在更晚的時(shí)間——接近行星生命的10億年。但不管是哪種機(jī)制，“如果你沒(méi)有足夠的質(zhì)量，你就無(wú)法堅(jiān)持，你就會(huì)失去大氣層并縮小，”克里斯蒂安森補(bǔ)充道。
在這項(xiàng)研究中，Chistiansen和她的合著者使用了來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局K2的數(shù)據(jù)，這是開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡的擴(kuò)展任務(wù)，以觀察6億至8億歲的Praesepe和Hyades星團(tuán)。因?yàn)樾行峭ǔ１徽J(rèn)為與它們的主恒星年齡相同，這個(gè)系統(tǒng)中的子海王星將超過(guò)光蒸發(fā)可能發(fā)生的年齡，但還沒(méi)有老到經(jīng)歷核心動(dòng)力的質(zhì)量損失。
因此，如果研究小組看到在Praesepe和Hyades中有許多子海王星(與其他星團(tuán)中的老恒星相比)，他們可以得出結(jié)論，光電蒸發(fā)沒(méi)有發(fā)生。在這種情況下，隨著時(shí)間的推移，核心動(dòng)力的質(zhì)量損失將是較小質(zhì)量的子海王星所發(fā)生的最可能的解釋。
在觀察Praesepe和Hyades時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)這些星團(tuán)中近100%的恒星在其軌道上仍然有一顆次海王星行星或行星候選。從這些行星的大小來(lái)看，研究人員認(rèn)為它們保留了自己的大氣層。
這與K2觀測(cè)到的其他更老的恒星(超過(guò)8億歲的恒星)不同，其中只有25%的恒星有軌道運(yùn)行的亞海王星。這些恒星的年齡更接近于核心動(dòng)力質(zhì)量損失發(fā)生的時(shí)間框架。
根據(jù)這些觀察，研究小組得出結(jié)論，光蒸發(fā)不可能發(fā)生在Praesepe和Hyades。如果有的話，它應(yīng)該發(fā)生在幾億年前，這些行星將幾乎沒(méi)有大氣層，如果有的話。這使得核心動(dòng)力質(zhì)量損失成為這些行星大氣層可能發(fā)生什么的主要解釋。
克里斯蒂安森的團(tuán)隊(duì)花了五年多的時(shí)間建立了這項(xiàng)研究所需的行星候選目錄。但是研究還遠(yuǎn)未完成，她說(shuō)，目前對(duì)光蒸發(fā)和/或核心動(dòng)力質(zhì)量損失的理解可能會(huì)發(fā)展。這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)在未來(lái)的研究中得到驗(yàn)證，然后任何人才能宣布這個(gè)行星差距的秘密已經(jīng)一勞永逸地解決了。
這項(xiàng)研究是利用美國(guó)國(guó)家航空航天局系外行星檔案館進(jìn)行的，該檔案館由加州理工學(xué)院在帕薩迪納根據(jù)與美國(guó)國(guó)家航空航天局的合同運(yùn)營(yíng)，是系外行星探索計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃位于南加州美國(guó)國(guó)家航空航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。JPL是加州理工學(xué)院的一個(gè)分部。
關(guān)于任務(wù)的更多信息
2018年10月30日，開(kāi)普勒耗盡了燃料，并在九年后結(jié)束了它的任務(wù)，在此期間，它發(fā)現(xiàn)了其他恒星周圍的2600多顆已確認(rèn)的行星，以及天文學(xué)家正在努力確認(rèn)的數(shù)千顆候選行星。
位于加州硅谷的美國(guó)國(guó)家航空航天局艾姆斯研究中心為美國(guó)國(guó)家航空航天局科學(xué)任務(wù)理事會(huì)管理開(kāi)普勒和K2任務(wù)。JPL負(fù)責(zé)開(kāi)普勒任務(wù)的開(kāi)發(fā)。鮑爾航空航天技術(shù)公司在博爾德科羅拉多大學(xué)大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室的支持下操作該飛行系統(tǒng)。