富爾頓缺口:為什麼比地球稍大一點的行星那麼罕見?
2019年08月07日09:06
銀河系似乎存在很多體積是地球2到4倍大的行星。然而,由於某些原因,半徑為地球半徑1.5到2倍之間的行星非常罕見。
銀河系似乎存在很多體積是地球2到4倍大的行星。然而,由於某些原因,半徑為地球半徑1.5到2倍之間的行星非常罕見。

  新浪科技訊 北京時間8月7日消息,據國外媒體報導,太陽形成之後,其起源雲所遺留的塵埃和氣體緩慢旋轉,逐漸形成我們今天所見到的八大行星,體積較小的岩石行星靠近太陽,巨大的氣體行星則漂浮在太陽系的遠端。在銀河系中無數的恒星周圍,這一過程不斷重複,形成了許許多多大小不一的行星。然而,從目前的觀測結果來看,比地球稍大一點的行星卻十分罕見。

  淩日系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,簡稱TESS)是美國國家航空航天局(NASA)最新用於搜尋行星的太空望遠鏡,目前已經運行了一年多時間。儘管TESS記錄的系外行星越來越多,但天文學家對行星體積的困惑卻一直沒有得到解決。2017年,天文學家首次發現行星的大小之間存在某種神秘的差距。這一差距表明,無論是在更廣闊的宇宙中,還是在我們所處的太陽系,科學家都需要一些新的觀點來解釋行星是如何形成的。

  自2018年4月發射以來,天文學家已經利用TESS在距離我們最近的恒星周圍發現了數百顆可能存在的行星,其中包括目前已確認的24顆行星。銀河系似乎存在很多較小的行星,尤其是那些體積是地球(或地球附近的其他行星)2到4倍大的行星。然而,由於某些原因,半徑為地球半徑1.5到2倍之間的行星非常罕見。

  這一範圍內行星如此稀少的現象被稱為“富爾頓缺口”(Fulton gap),以指出該現象的論文的第一作者本傑明·富爾頓命名。富爾頓缺口首次出現在開普勒太空望遠鏡的觀測結果中。雖然TESS的統計數據中還沒有足夠的行星來證實或反駁富爾頓缺口,但這一趨勢仍在繼續。天文學家表示,富爾頓缺口很可能不會消失。

  一個研究團隊報告稱,他們發現了一個恒星系統,該系統在富爾頓缺口的兩側各有一顆行星。一顆是所謂的“迷你海王星”,半徑大約是地球的2.6倍;另一顆略小於地球,大小約為地球的90%。後者是TESS所記錄的第一顆近似地球大小的系外行星。

  行星半徑的富爾頓缺口可能源於行星形成的某種規律,以及它們早期的情況。由於行星的大氣層可以構成其半徑的很大一部分,因此許多推測都圍繞大氣層可能發生的情況。一種可能性是反向的“金髮女生原則”,即具有大氣層的中型岩質行星無法持續存在,要麼行星的體積足夠大,可以留住大氣層。如果行星的體積適中,那就可能不夠大,很快就會失去大氣層,這就像一場拔河比賽;要保持中間狀態真的很難。

  雖然某種程度的大氣層損失是合理的猜測,但這隻是三個普遍觀點之一。另一種理論認為,富爾頓缺口直接源於行星的形成,可能是恒星誕生時所遺留氣體和塵埃的位置或組成所致。或者,正如第三種理論所提出的,行星自身的冷卻過程可能會導致大氣層蒸發,這一效應被稱為“核心驅動的質量損失”(core-powered mass loss),當特定體積的行星從內部向太空輻射熱量時,它們的大氣層會被吹走,這可能會使它們落入半徑缺口的另一側。

  富爾頓缺口為正在出現的統計模式增添了細節。在許多系外行星系統中,就像在我們所處的太陽系一樣,天文學家發現,較小的行星往往靠近主恒星運行,而較大的行星則離主恒星更遠。前者與恒星之間的距離可能是它們體積較小的原因之一,最初,它們可以像遙遠的大型行星一樣體積很大,但是在恒星的灼熱氣息和紫外線輻射衝擊下,它們失去了大氣層,因此失去了大量的質量。

  科學家認為火星很可能經曆過類似的事情。一開始,火星的大氣層比較厚,但是一旦失去了磁場的保護,太陽會將它的大氣層慢慢“吹”走,甚至地球大氣層也在失去一部分氫,這些行星系統中,有一部分可能經曆了更嚴重的早期歷史,在未來,科學家希望看看它們的大氣層,或許這會給我們一些啟發。

  至於這些系外行星的種類構成,天文學家目前還不能確定其中大部分行星的內部是什麼樣子。最具爭議的是大小為地球2到4倍的行星,它們被稱為“超級地球”,有時也稱為“迷你海王星”。一些天文學家認為它們是包裹在厚厚的氫氣大氣層中的岩石星球,而另一些人則認為它們被水包裹著,可能是固態的冰,也可能是液態水或水蒸氣。

  不久前,由哈佛大學天文學家曾理領導的團隊報告了計算機模擬的結果,表明這些常見的系外行星很可能是水世界。有些行星的體積可能有高達50%由水組成,而這些水會以各種奇異的形式出現。曾理表示,這些水可能一直是液態的,或者存在於表面以下數千公里處,被壓縮成高壓的冰形態,類似於新發現的“超離子冰”(superionic ice)。

  這些高壓冰本質上就像地球深層地幔中的矽酸鹽岩石,又熱又硬,“些海洋深不可測。與我們的地球相比,它們是完全不同的世界。

  這些超級地球或迷你海王星可能比太陽系的行星更加常見,而且,宇宙中很可能確實沒有另一顆行星能像地球一樣。不過,開普勒太空望遠鏡花了近十年的時間才在所探測到的大量行星中找到規律,而TESS才剛剛開始。開普勒望遠鏡研究的是天鵝座的一小塊天空,而TESS將研究整個天空,其面積是開普勒視野的400倍。TESS將專注於距離我們較近的明亮恒星,這將有可能通過地面望遠鏡進行後續觀測。

  TESS對遠距離環繞恒星運行的行星進行長期觀測的結果令人期待。這些星球更難看到,TESS通過研究恒星亮度中的變化光點來探測行星的存在,距離主恒星很遠的行星需要很長時間才能經過其前方,形成一個更能捕捉到的延長光點,而且它們使星光變暗的程度更低。毫無疑問,想從這個光點中得出任何關於行星的確定結論,都將面臨巨大的挑戰。(任天)

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