一個(gè)處于"青少年"時(shí)期的行星系統(tǒng)，揭示了輻射如何剝離年輕行星的大氣層并推動(dòng)它們偏離原有軌道。

天文學(xué)家們已經(jīng)了解行星系統(tǒng)是如何誕生的，也清楚它們完全成熟后的模樣。但一直以來，大部分隱藏不露的是介于兩者之間、略顯尷尬的"青少年"階段——即行星褪去其"嬰兒肥"般的大氣層，并遷移至成年期軌道的時(shí)期。如今，科學(xué)家們恰好捕捉到了這樣一個(gè)系統(tǒng)。在一項(xiàng)新研究中，研究人員詳細(xì)描繪了TOI-2076——一個(gè)大約有2億年歷史、似乎正在結(jié)束其動(dòng)蕩青春期的行星系統(tǒng)。

這一發(fā)現(xiàn)提供了罕見的直接證據(jù)，證明了年輕行星如何剝離其早期大氣層，并如何從其緊密排列的軌道模式中漂移出來。

"我們的發(fā)現(xiàn)提供了直接的觀測(cè)證據(jù)，表明致密行星系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重塑和大氣重塑很早就開始了，并為其長(zhǎng)期演化模型提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)錨點(diǎn)，"研究作者指出。

介于有序與混沌之間的系統(tǒng)

TOI-2076圍繞一顆相對(duì)年輕的K型矮星運(yùn)行，該恒星約有2.1億年歷史，恰好相當(dāng)于宇宙中的"青少年"。該系統(tǒng)包含四顆行星，每顆的大小在地球的1.4到3.5倍之間。它們屬于"亞海王星"——比地球大但比海王星小的天體，這是一種常見但在我們太陽(yáng)系中并不存在的行星類型。

行星科學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)是理解從系統(tǒng)誕生到其穩(wěn)定成年期配置之間發(fā)生了什么。許多非常年輕（不到1億年）的系統(tǒng)，其行星被鎖定在稱為"平均運(yùn)動(dòng)共振"的精確軌道節(jié)律中。在這種排列中，行星之間以穩(wěn)定、重復(fù)的模式通過引力相互牽引。然而，大多數(shù)成熟系統(tǒng)不再顯示出這些緊密的共振鏈。

科學(xué)家們懷疑，隨著時(shí)間的推移，有什么東西擾亂了它們，類似于描述我們?cè)缙谔?yáng)系演化模型中所提到的"重新洗牌"過程。在此之前，直接觀測(cè)到這一過渡階段的證據(jù)非常稀少。

TOI-2076似乎恰好處于這個(gè)缺失的中間階段。利用美國(guó)宇航局凌日系外行星巡天衛(wèi)星以及地面望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，研究人員測(cè)量了這些行星的大小和軌道周期。他們發(fā)現(xiàn)這些行星以近乎規(guī)則的序列間隔排列，表明它們?cè)?jīng)被緊密鎖定在共振狀態(tài)。然而，今天它們只是接近共振，并未完全同步。

"我們證明，它的行星接近但并未鎖定在平均運(yùn)動(dòng)共振中，這使得該系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)上很脆弱，"研究作者補(bǔ)充道。簡(jiǎn)而言之，這些行星正在緩慢地漂移分離，就像剛剛跳出完美節(jié)奏的舞者。

輻射、蒸發(fā)與"縮水"的行星

軌道間距只是故事的一部分。研究人員還檢查了行星的大氣層，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與其到恒星距離相關(guān)的清晰模式。盡管這四顆行星具有可比的巖石核心質(zhì)量，但它們的外部氣體包層卻大相徑庭。最內(nèi)側(cè)的行星已完全失去了其氫氣和氦氣大氣層，現(xiàn)在基本上是一個(gè)裸露的巖石核心。向外三顆行星則分別保留了其總質(zhì)量的約百分之一、百分之五和百分之五的氫氣和氦氣。趨勢(shì)簡(jiǎn)單而驚人：行星離恒星越近，它剩下的大氣就越少。

這種模式有力地支持了一個(gè)被稱為"光致蒸發(fā)"的過程。年輕恒星會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的輻射，加熱行星大氣層的高層。如果加熱足夠強(qiáng)烈，氣體會(huì)逃逸到太空中。離恒星較近的行星接收更多輻射，因此失去更多氣體。在最初的幾億年里，尤其是最初的1億年內(nèi)，這種剝離過程要么完全去除大氣層，要么將其減少到大約行星質(zhì)量1%的薄薄殘余層。較遠(yuǎn)的行星暴露在較弱的輻射下，保留了更多其原始的大氣包層。

計(jì)算機(jī)模擬對(duì)于證實(shí)這一解釋至關(guān)重要。研究作者建立了模型，假設(shè)所有四顆行星開始時(shí)具有相似的巖石與氣體比例。然后，他們模擬了恒星輻射如何隨時(shí)間侵蝕這些大氣層。結(jié)果與TOI-2076的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果非常吻合。模型還顯示，當(dāng)行星失去氣體和質(zhì)量時(shí)，它們的引力相互作用會(huì)發(fā)生輕微改變，從而推動(dòng)它們偏離精確共振，并增加了它們軌道之間的間距。

"看到模型在現(xiàn)實(shí)世界中起作用并解釋正在發(fā)生的事情，這非常有說服力，"研究作者之一、佛羅里達(dá)理工學(xué)院的教授霍華德·陳表示。

行星"青春期"的罕見快照

要在這個(gè)階段捕捉到一個(gè)行星系統(tǒng)非常困難，因?yàn)橄啾扔诤阈菙?shù)十億年的壽命，青少年期是短暫的。我們觀察到的大多數(shù)系統(tǒng)要么非常年輕，要么早已穩(wěn)定下來。TOI-2076在這些極端之間提供了一個(gè)關(guān)鍵的橋梁。它提供了直接的觀測(cè)證據(jù)，表明軌道重塑和大氣剝離很早就開始并且是同時(shí)發(fā)生的。

這些發(fā)現(xiàn)還為天文學(xué)家提供了行星長(zhǎng)期演化模型的經(jīng)驗(yàn)錨點(diǎn)，并有助于解釋緊密堆積的致密系統(tǒng)如何轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的排列。然而，這仍然只是一個(gè)系統(tǒng)?？茖W(xué)家們需要研究更多類似年齡的行星系統(tǒng)，以確定這種演化路徑在銀河系中是否普遍。

研究人員現(xiàn)在計(jì)劃將他們更新的模型應(yīng)用于其他年輕系統(tǒng)，并繼續(xù)尋找活躍大氣逃逸的跡象。

該研究發(fā)表在《自然·天文學(xué)》期刊上。

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