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越来越多地蒸发并形成大气层。与行星在其起源地的值相比，这个过程增加了测量的行星半径。
模拟为超级地球大小分布的神秘差距提供了潜在的解释。
通常，演化的行星系统（例如太阳系）中的行星围绕其中心恒星遵循稳定的轨道。然而，许多迹象表明，一些行星可能在早期演化过程中通过向内或向外迁移而离开它们的出生地。这种行星迁移也可以解释一个多年来一直困扰研究人员的观察结果：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，有许多系外行星比这个尺寸更小和更大。
“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，”海德堡马克斯普朗克天文学研究所（MPIA）的系外行星研究员雷莫·伯恩（Remo Burn）解释说。他是该文章的主要作者，该文章报告了本文中概述的发现，现已发表在《自然天文学》上。
系外行星的数量在1.6到2.2之间减少，在分布中产生明显的山谷。取而代之的是，存在更多的行星，其大小约为 1.4 和 2.4 地球半径。最新的模拟首次将水的真实特性考虑在内，表明迁移到行星系统内部的冰冷行星形成了厚厚的水蒸气大气层。它使它们看起来比它们在原产地更大。它们在地球半径约为 2.4 处产生峰值。与此同时，随着时间的流逝，较小的岩石行星会失去其原始气体包层的一部分，导致其测量的半径缩小，从而导致在地球半径约为1.4的范围内积累。图片来源：R. Burn、C. Mordasini / MPIA
神秘的亚海王星
两种不同类型的系外行星栖息在缺口周围的大小范围内。一方面，有岩石行星，它们可能比地球质量更大，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海王星（也称为迷你海王星），平均而言，这些行星系统比超级地球略大。
“然而，我们在太阳系中没有这类系外行星，”伯恩指出。“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。
尽管如此，天文学家普遍认为，这些行星比岩石行星拥有更多的大气层。因此，了解这些亚海王星的特征如何导致半径间隙是不确定的。这种差距甚至表明这两种类型的世界以不同的方式形成吗？
流浪的冰行星
日内瓦大学的Julia Venturini总结说：“根据我们在2020年发表的模拟，最新结果表明并证实，相反，亚海王星在出生后的演化对观测到的半径谷做出了重大贡献。她是上述 PlanetS 合作的成员，并领导了 2020 年的研究。
在它们出生地的冰冷区域，行星从恒星接收到的变暖辐射很少，亚海王星确实应该有观测分布中缺失的大小。当这些大概是冰冷的行星向恒星靠近时，冰层融化，最终形成厚厚的水蒸气大气层。
这个过程导致行星半径向更大的值移动。毕竟，用于测量行星半径的观测无法区分确定的大小是由于行星的固体部分还是由于额外的致密大气层。
同时，正如上一张图片中已经表明的那样，岩石行星会因失去大气层而“缩小”。总体而言，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
“伯尔尼-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形成和组成的理解，”MPIA主任Thomas Henning解释说。“因此，目前的研究是多年联合准备工作和对物理模型不断改进的结果。
最新的结果源于对追踪行星形成和随后演化的物理模型的计算。它们包括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部的压力和温度下的性质，”伯恩解释说。了解水在各种压力和温度下的行为对于仿真至关重要。直到最近几年，这些知识才具有足够的质量。正是这个组件允许对海王星下的行为进行现实的计算，从而解释了温暖地区广泛大气的表现。
“值得注意的是，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，例如行星大气的形成，”Henning补充道。
“如果我们将结果扩展到较冷的地区，那里的水是液态的，这可能表明存在深海的水世界，”Mordasini说。“这些行星可能拥有生命，并且由于它们的大小，它们将成为寻找生物标志物的相对直接的目标。
今后的工作
然而，目前的工作只是一个重要的里程碑。尽管模拟的尺寸分布与观测到的尺寸分布非常吻合，并且半径间隙在正确的位置，但细节仍然存在一些不一致之处。例如，在计算中，太多的冰行星最终离中心恒星太近了。尽管如此，研究人员并不认为这种情况是不利的，而是希望以这种方式更多地了解行星迁移。
使用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）或正在建设中的超大望远镜（ELT）等望远镜进行观测也会有所帮助。它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。
参考资料：“迁移的蒸汽世界和蒸发的岩石核心之间的半径谷”，作者：Remo Burn、Christoph Mordasini、Lokesh Mishra、Jonas Haldemann、Julia Venturini、Alexandre Emsenhuber 和 Thomas Henning，2024 年 2 月 9 日，《自然天文学》。
DOI： 10.1038/s41550-023-02183-7
参与这项研究的MPIA科学家是Remo Burn和Thomas Henning。
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 Haldemann（Unibe）、Julia Venturini（Unige）和Alexandre Emsenhuber（德国慕尼黑路德维希马克西米利安大学和Unibe）。
美国宇航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，并在运行过程中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，行星在其轨道上会周期性地阻挡部分恒星的光。恒星亮度的这种周期性波动使得能够间接探测到行星并确定其半径。
半径谷从何而来？
“事实上，我们和其他研究小组一样，甚至在这次观察之前就根据我们的计算预测，这种差距一定存在，”合著者Christoph Mordasini解释说，他是国家研究中心（NCCR）PlanetS的成员。他是伯尔尼大学空间研究和行星科学系的负责人。这一预测起源于他在MPIA担任科学家期间，该MPIA多年来一直与伯尔尼大学共同研究该领域。
解释这种半径谷出现的最常提出的机制是，由于来自中心恒星的辐射，特别是像氢和氦这样的挥发性气体，行星可能会失去一部分原始大气层。“然而，这种解释忽略了行星迁移的影响，”伯恩澄清道。大约40年来，人们已经确定，在某些条件下，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在多大程度上影响了行星系统的发展，影响了它对形成半径谷的贡献。
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