迁移解决了系外行星之谜
通常，演化的行星系统(例如太阳系)中的行星沿着围绕其中心恒星的稳定轨道运行。然而，许多迹象表明，一些行星可能在其早期演化过程中通过向内或向外迁移而离开其出生地。这种行星迁移也可能解释了多年来困扰研究人员的一个观察结果：尺寸约为地球两倍的系外行星数量相对较少，称为半径谷或间隙。相反，还有许多比这个尺寸更小和更大的系外行星。
海德堡马克斯·普朗克天文学研究所 (MPIA) 的系外行星研究员雷莫·伯恩 (Remo Burn) 解释道：“六年前，对开普勒太空望远镜数据的重新分析显示，尺寸约为两个地球半径的系外行星非常短缺。” 他是报告本文概述的发现的文章的主要作者，该文章现已发表在《自然天文学》上。
半径谷从哪里来?
“事实上，我们——像其他研究小组一样——根据我们的计算预测，甚至在这次观察之前，这样的差距一定存在， ”合著者、国家研究能力中心 (NCCR) 成员克里斯托夫·莫达西尼 (Christoph Mordasini) 解释道。行星S。他是伯尔尼大学空间研究和行星科学部门的负责人。这一预测源于他在 MPIA 担任科学家期间，MPIA 多年来一直与伯尔尼大学联合研究这一领域。
解释这种半径谷出现的最常见机制是，由于中心恒星的辐射，行星可能会失去部分原始大气，尤其是氢和氦等挥发性气体。“然而，这种解释忽略了行星迁移的影响， ”伯恩澄清道。大约 40 年来人们一直认为，在某些条件下，行星可以随着时间的推移在行星系统中向内和向外移动。这种迁移的效果如何以及它对行星系统发展的影响程度会影响其对形成半径谷的贡献。
神秘的亚海王星
间隙周围的大小范围内栖息着两种不同类型的系外行星。一方面，存在岩石行星，它们的质量可能比地球更大，因此被称为超级地球。另一方面，天文学家越来越多地在遥远的行星系统中发现所谓的亚海王星(也称为迷你海王星)，这些行星系统的平均尺寸略大于超级地球。
“然而，太阳系中并没有这类系外行星， ”伯恩指出。“这就是为什么即使在今天，我们也不能完全确定它们的结构和组成。”
尽管如此，天文学家普遍认为这些行星比岩石行星拥有更广阔的大气层。因此，了解这些亚海王星的特征如何影响半径差距一直是不确定的。这种差距是否表明这两种世界的形成方式不同?
流浪的冰行星
日内瓦大学的朱莉娅·文图里尼 (Julia Venturini) 总结道：“根据我们在 2020 年发布的模拟结果，最新结果表明并证实，亚海王星诞生后的演化对观测到的半径谷有显着影响。” 她是上述PlanetS合作组织的成员，并领导了 2020 年的研究。
在其诞生地的冰冷区域，行星几乎接收不到来自恒星的变暖辐射，亚海王星的尺寸确实应该在观测到的分布中缺失。当这些可能是冰冷的行星迁移到靠近恒星时，冰融化，最终形成厚厚的水蒸气大气层。
此过程导致行星半径转变为更大的值。毕竟，用于测量行星半径的观测无法区分所确定的大小是仅由行星的固体部分造成还是由额外的致密大气层造成。
与此同时，正如上一张图片所示，岩石行星因失去大气层而“收缩”。总体而言，这两种机制都导致缺乏大小约为两个地球半径的行星。
模拟行星系统的物理计算机模型
“伯尔尼-海德堡小组的理论研究已经极大地推进了我们对过去行星系统形成和组成的理解， ”MPIA 主任托马斯·亨宁 (Thomas Henning) 解释道。因此，目前的研究是多年共同准备工作和对物理模型不断改进的结果。”
最新结果源于追踪行星形成和随后演化的物理模型的计算。它们涵盖了年轻恒星周围气体和尘埃盘的过程，这些过程产生了新的行星。这些模型包括大气的出现、不同气体的混合以及径向迁移。
“这项研究的核心是水在行星及其大气内部的压力和温度下的特性， ”伯恩解释道。了解水在各种压力和温度下的行为对于模拟至关重要。这些知识直到最近几年才达到足够的质量。正是这个成分使得我们能够对海王星下的行为进行实际计算，从而解释了温暖地区广泛大气的表现。
“值得注意的是，在这个例子中，分子水平上的物理特性如何影响大规模的天文过程，例如行星大气的形成， ”亨宁补充道。
莫达西尼说：“如果我们将研究结果扩大到水呈液态的较冷地区，这可能表明深海中存在水世界。 ” “这样的行星可能存在生命，并且由于它们的大小，将成为寻找生物标记的相对直接的目标。”
未来的进一步工作
然而，目前的工作只是一个重要的里程碑。尽管模拟的尺寸分布与观察到的尺寸分布非常接近，并且半径间隙处于正确的位置，但细节仍然存在一些不一致。例如，在计算中，太多的冰行星最终距离中心恒星太近。尽管如此，研究人员并不认为这种情况是一种缺点，而是希望通过这种方式更多地了解行星迁移。
使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 或正在建设的极大望远镜 (ELT) 等望远镜进行观测也可能有所帮助。他们将能够根据行星的大小确定行星的组成，从而为此处描述的模拟提供测试。
背景资料
参与这项研究的 MPIA 科学家是 Remo Burn 和 Thomas Henning。
其他研究人员包括 Christoph Mordasini(瑞士伯尔尼大学 [Unibe])、Lokesh Mishra(瑞士日内瓦大学 [Unige] 和 Unibe)、Jonas Haldemann(Unibe)、Julia Venturini(Unige)和 Alexandre Emsenhuber(Ludwig Maximilian)德国慕尼黑大学和Unibe)。
NASA 开普勒太空望远镜在 2009 年至 2018 年间搜寻了其他恒星周围的行星，并在运行过程中发现了数千颗新的系外行星。它利用了凌日法：当行星的轨道倾斜，使其平面位于望远镜的视线范围内时，行星在其轨道上周期性地阻挡恒星的部分光线。恒星亮度的这种周期性波动使得能够间接探测行星并确定其半径。
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