天文学家发现气态浮肿行星失去大气层成为超级地球

天文学家在一些其它恒星周围发现一种在我们的太阳系中没有发现的稀有行星。 它既不太大也不太小，正好在地球半径和海王星半径之间。 在这个范围的底部是比地球略大的密集超级地球。 接近范围的顶部是迷你海王星，它们的半径只有海王星的一小部分。

天文学家正在拼凑一幅关于这些缺失环节行星是如何形成的复杂图景。 显然，迷你海王星比最初是海王星更小、更密集的版本。 但是来自行星的母恒星的辐射加热了它们的氢/氦大气，然后像热气球一样逃到太空中。 这颗行星进入某种快速节食状态，失去大量的质量，直到只剩下一个仍然比地球大的致密岩石核心，并且可能保留一层薄薄的大气层。

使用哈勃太空望远镜和凯克天文台（W.M. Keck Observatory）的天文学家已经确定两种不同的迷你海王星类型的行星，它们正在失去膨胀的大气层，并可能转变为超级地球。 这进一步证明行星如何围绕其它恒星形成和演化的多样性。

大多数天文学家怀疑年轻的迷你海王星一定有正在蒸发的大气，但到目前为止，并未发现实例。 研究还发现，TOI 560.01 周围的气体主要向恒星逃逸。

美国加州理工学院行星科学教授希瑟·克努森（Heather Knutson）说：「这是出乎意料之外，因为大多数模型都预测气体应该从恒星流出，而非向恒星逃逸。 这种情况的大气外流运作方式，我们还有很多需要了解。」

自从1990年代中期发现了第一颗围绕其它恒星运行的系外行星以来，已经发现数以千计的其它系外行星。 其中许多轨道靠近它们的恒星，而较小的岩石轨道通常分为两组：迷你海王星和超级地球。 超级地球的大小是地球的1.6倍（有时是地球的1.75倍），而迷你海王星的大小是地球的2到4倍。 在我们的太阳系中找不到这些类型的行星。 事实上，在其它恒星周围发现的大小介于这两个范围之间的行星也很少。

这种大小差距的一种可能解释是迷你海王星正在转变为超级地球。 理论上，迷你海王星由氢和氦组成的原始大气包裹着。 氢和氦是由中心恒星形成，它是由气体云产生。 天文学家推测，如果迷你海王星足够小并且离它的恒星足够近，那么恒星的X射线和紫外线辐射可以在数亿年的时间内剥离它的原始大气。 然后，这将留下一个直径小得多的岩石超级地球（理论上，它仍然可以保留与地球周围相似，但相对稀薄的大气层）。

大小差距内的行星有足够的大气层来扩大它的半径，使它拦截更多的恒星辐射，从而实现快速的质量损失。 但是大气层很薄，很快就会消失。 这就是为什么行星不会长时间停留在这种间隙中的原因。

天文学家表示，其它情况可以解释尺寸差距。 例如：较小的岩石行星可能从一开始就没有聚集过气体层，迷你海王星可能是水世界，没有氢气包围。 最新发现的两个逃离大气层的迷你海王星代表了支持迷你海王星确实正在变成超级地球的理论的直接证据。

气体的速度提供了大气正在逃逸的证据。 在TOI 560.01周围观察到的氦以每秒20公里的速度移动，而HD 63433c 周围的氢以每秒50公里的速度移动。 这些迷你海王星的强度不足以容纳如此快速移动的气体。 行星周围流出的程度也显示正在逃离大气;TOI 560.01周围的气体茧至少是行星半径的3.5倍，HD 63433c周围的气体茧至少是行星半径的12倍。

【图：美国凯克天文台;文：节译自美国加州理工学院2022年2月4日新闻公布】研究全文刊登在2022年1月17日出版的《天体物理学报》;标题是：Detection of Ongoing Mass Loss from HD 63433c， a Young Mini-Neptune

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