膨胀的氦行星可以解释系外行星大小之谜

一颗恒星慢慢蒸发轨道行星大气层的插图。(Image credit: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

（蜘蛛网eeook.com）据美国太空网（By Keith Cooper）：氦可能占迁移到其恒星附近的巨大系外行星大气质量的近一半，这解释了为什么这些世界的规模存在神秘的大小差距。

现在已经确认了超过5200颗系外行星，其中许多是围绕其恒星运行的较大行星，在某些情况下，轨道周期仅持续几天。然而，首先由美国宇航局开普勒太空望远镜进行的凌日观测，以及现在由过境系外行星调查卫星TESS进行的凌日观测，发现半径在地球半径1.4至2.4倍之间的行星令人困惑地缺乏。天文学家称之为“半径谷”,虽然它似乎告诉我们一些关于行星的性质、形成和演化的基本信息，但科学家们尚未确定那是什么。

现在，由密歇根大学的博士生Isaac Malsky和芝加哥大学的Leslie Rogers领导的团队对半径谷进行了新的研究，表明它可能标志着比地球大2.4倍的世界的大气中氦气越来越丰富。这种规模的世界通常被描述为迷你海王星，如果它们有一个岩石内核，它就在厚厚的大气层之下。

在它们生命的早期，虽然仍在由气体和尘埃组成的原行星盘中形成，但在远离恒星的地方形成的行星可以向内迁移。它们越靠近自己的恒星，受到恒星热量和辐射的影响就越大，恒星风和耀斑的混合可以逐渐消除发射线上行星的大气。当这种情况发生时，当气体被剥离，留下一个裸露的岩石核心时，行星可以长出一条彗星般的尾巴。

这些星球的大气主要由氢和氦构成。在我们的太阳系中，木星是这种大气构成的一个很好的例子，90%是氢，10%是氦。然而，氢比氦轻，更容易逃逸到太空中。

马尔斯基和罗杰的团队设计了一个计算机模型，模拟了70，000颗不同大小、不同温度、围绕不同恒星运行的巨大系外行星，以观察来自其附近恒星的热量对其大气层的影响。他们发现氢的确比氦被移除得更快，导致氢的丰度相对于氦的存在量减少。

在最极端的情况下，他们模拟的一些行星的大气中氦的质量超过40%。这些氦世界将占据较高尺寸范围的底端，半径比地球大约2.4倍——无论它们的大气层富含氢或氦，来自其附近恒星的热量仍会导致大气层膨胀，增加行星的半径。

一颗红矮星(左上)发出的紫外光正缓慢蒸发系外行星的大气层。(Image credit: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

半径谷另一边的较小世界，半径是地球的1.4倍或更小，会失去所有的氢和氦，也没有明显的大气层，将它们的半径限制在岩石核心的半径范围内。有可能失去了原始大气，这些行星会释放出一种新的更稀薄的类似地球的大气。但是，如果它们离恒星的距离比地球离太阳的距离近得多，那么它们也将面临一场争夺新大气层的战斗。

罗杰斯在一份声明中说:“外面有这么多奇怪而奇妙的系外行星，这一发现不仅增加了一个新的种类，而且可能对理解行星的进化和形成有所启示。”“更好地了解这一群体可以告诉我们许多关于亚海王星大小的行星的起源和演化，这显然是行星形成过程的常见结果。”

这些新发现支持了早期的研究，该研究认为，不仅行星在迁移到更靠近其恒星的位置时会失去厚厚的原始大气，而且一个系统中多个行星的向内迁移可能会将世界锁定在引力共振链中，就像“豆荚中的豌豆”

氦尽管是宇宙中第二常见的元素，但仅在2018年首次在一颗系外行星上检测到。然而，随着美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的发射，天文学家们的工具包中有了一个新的仪器来探测系外行星上的大气气体。如果半径谷确实是行星过于靠近其恒星并将其大气冲击加热到太空的结果，那么JWST可以通过对半径约为地球半径2.4倍的高温行星进行光谱分析来确定其大气中氦的丰度，从而提供观测证据。

结果发表在《自然天文学》上。