天文學家發現氣態浮腫行星失去大氣層成為超級地球

天文學家在一些其它恆星周圍發現一種在我們的太陽系中沒有發現的稀有行星。它既不太大也不太小，正好在地球半徑和海王星半徑之間。在這個範圍的底部是比地球略大的密集超級地球。接近範圍的頂部是迷你海王星，它們的半徑只有海王星的一小部分。

天文學家正在拼湊一幅關於這些缺失環節行星是如何形成的複雜圖景。顯然，迷你海王星比最初是海王星更小、更密集的版本。但是來自行星的母恆星的輻射加熱了它們的氫/氦大氣，然後像熱氣球一樣逃到太空中。這顆行星進入某種快速節食狀態，失去大量的質量，直到只剩下一個仍然比地球大的緻密岩石核心，並且可能保留一層薄薄的大氣層。

使用哈勃太空望遠鏡和凱克天文台（W.M. Keck Observatory）的天文學家已經確定兩種不同的迷你海王星類型的行星，它們正在失去膨脹的大氣層，並可能轉變為超級地球。這進一步證明行星如何圍繞其它恆星形成和演化的多樣性。

大多數天文學家懷疑年輕的迷你海王星一定有正在蒸發的大氣，但到目前為止，並未發現實例。研究還發現，TOI 560.01 周圍的氣體主要向恆星逃逸。

美國加州理工學院行星科學教授希瑟·克努森（Heather Knutson）說：「這是出乎意料之外，因為大多數模型都預測氣體應該從恆星流出，而非向恆星逃逸。這種情況的大氣外流運作方式，我們還有很多需要了解。」

自從1990年代中期發現了第一顆圍繞其它恆星運行的系外行星以來，已經發現數以千計的其它系外行星。其中許多軌道靠近它們的恆星，而較小的岩石軌道通常分為兩組：迷你海王星和超級地球。超級地球的大小是地球的1.6倍（有時是地球的1.75倍），而迷你海王星的大小是地球的2到4倍。在我們的太陽系中找不到這些類型的行星。事實上，在其它恆星周圍發現的大小介於這兩個範圍之間的行星也很少。

這種大小差距的一種可能解釋是迷你海王星正在轉變為超級地球。理論上，迷你海王星由氫和氦組成的原始大氣包裹著。氫和氦是由中心恆星形成，它是由氣體雲產生。天文學家推測，如果迷你海王星足夠小並且離它的恆星足夠近，那麼恆星的X射線和紫外線輻射可以在數億年的時間內剝離它的原始大氣。然後，這將留下一個直徑小得多的岩石超級地球（理論上，它仍然可以保留與地球周圍相似，但相對稀薄的大氣層）。

大小差距內的行星有足夠的大氣層來擴大它的半徑，使它攔截更多的恆星輻射，從而實現快速的質量損失。但是大氣層很薄，很快就會消失。這就是為什麼行星不會長時間停留在這種間隙中的原因。

天文學家表示，其它情況可以解釋尺寸差距。例如：較小的岩石行星可能從一開始就沒有聚集過氣體層，迷你海王星可能是水世界，沒有氫氣包圍。最新發現的兩個逃離大氣層的迷你海王星代表了支持迷你海王星確實正在變成超級地球的理論的直接證據。

氣體的速度提供了大氣正在逃逸的證據。在TOI 560.01周圍觀察到的氦以每秒20公里的速度移動，而HD 63433c 周圍的氫以每秒50公里的速度移動。這些迷你海王星的強度不足以容納如此快速移動的氣體。行星周圍流出的程度也顯示正在逃離大氣；TOI 560.01周圍的氣體繭至少是行星半徑的3.5倍，HD 63433c周圍的氣體繭至少是行星半徑的12倍。

【圖：美國凱克天文台；文：節譯自美國加州理工學院2022年2月4日新聞公佈】研究全文刊登在2022年1月17日出版的《天體物理學報》；標題是：Detection of Ongoing Mass Loss from HD 63433c, a Young Mini-Neptune