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富尔顿缺口:为什么比地球稍大一点的行星那么罕见?

2019-08-07     来源:新浪好运3D计划

 

银河系似乎存在很多体积是地球2到4倍大的行星。然而,由于某些原因,半径为地球半径1.5到2倍之间的行星非常罕见。

  新浪好运3D计划讯 北京时间8月7日消息,据国外媒体报道,太阳形成之后,其起源云所遗留的尘埃和气体缓慢旋转,逐渐形成我们今天所见到的八大行星,体积较小的岩石行星靠近太阳,巨大的气体行星则漂浮在太阳系的远端。在银河系中无数的恒星周围,这一过程不断重复,形成了许许多多大小不一的行星。然而,从目前的观测结果来看,比地球稍大一点的行星却十分罕见。

  凌日系外行星巡天卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,简称TESS)是美国国家航空航天局(NASA)最新用于搜寻行星的太空望远镜,目前已经运行了一年多时间。尽管TESS记录的系外行星越来越多,但天文学家对行星体积的困惑却一直没有得到解决。2017年,天文学家首次发现行星的大小之间存在某种神秘的差距。这一差距表明,无论是在更广阔的宇宙中,还是在我们所处的太阳系,科学家都需要一些新的观点来解释行星是如何形成的。

  自2018年4月发射以来,天文学家已经利用TESS在距离我们最近的恒星周围发现了数百颗可能存在的行星,其中包括目前已确认的24颗行星。银河系似乎存在很多较小的行星,尤其是那些体积是地球(或地球附近的其他行星)2到4倍大的行星。然而,由于某些原因,半径为地球半径1.5到2倍之间的行星非常罕见。

  这一范围内行星如此稀少的现象被称为“富尔顿缺口”(Fulton gap),以指出该现象的论文的第一作者本杰明·富尔顿命名。富尔顿缺口首次出现在开普勒太空望远镜的观测结果中。虽然TESS的统计数据中还没有足够的行星来证实或反驳富尔顿缺口,但这一趋势仍在继续。天文学家表示,富尔顿缺口很可能不会消失。

  一个研究团队报告称,他们发现了一个恒星系统,该系统在富尔顿缺口的两侧各有一颗行星。一颗是所谓的“迷你海王星”,半径大约是地球的2.6倍;另一颗略小于地球,大小约为地球的90%。后者是TESS所记录的第一颗近似地球大小的系外行星。

  行星半径的富尔顿缺口可能源于行星形成的某种规律,以及它们早期的情况。由于行星的大气层可以构成其半径的很大一部分,因此许多推测都围绕大气层可能发生的情况。一种可能性是反向的“金发姑娘原则”,即具有大气层的中型岩质行星无法持续存在,要么行星的体积足够大,可以留住大气层。如果行星的体积适中,那就可能不够大,很快就会失去大气层,这就像一场拔河比赛;要保持中间状态真的很难。

  虽然某种程度的大气层损失是合理的猜测,但这只是三个普遍观点之一。另一种理论认为,富尔顿缺口直接源于行星的形成,可能是恒星诞生时所遗留气体和尘埃的位置或组成所致。或者,正如第三种理论所提出的,行星自身的冷却过程可能会导致大气层蒸发,这一效应被称为“核心驱动的质量损失”(core-powered mass loss),当特定体积的行星从内部向太空辐射热量时,它们的大气层会被吹走,这可能会使它们落入半径缺口的另一侧。

  富尔顿缺口为正在出现的统计模式增添了细节。在许多系外行星系统中,就像在我们所处的太阳系一样,天文学家发现,较小的行星往往靠近主恒星运行,而较大的行星则离主恒星更远。前者与恒星之间的距离可能是它们体积较小的原因之一,最初,它们可以像遥远的大型行星一样体积很大,但是在恒星的灼热气息和紫外线辐射冲击下,它们失去了大气层,因此失去了大量的质量。

  科学家认为火星很可能经历过类似的事情。一开始,火星的大气层比较厚,但是一旦失去了磁场的保护,太阳会将它的大气层慢慢“吹”走,甚至地球大气层也在失去一部分氢,这些行星系统中,有一部分可能经历了更严重的早期历史,在未来,科学家希望看看它们的大气层,或许这会给我们一些启发。

  至于这些系外行星的种类构成,天文学家目前还不能确定其中大部分行星的内部是什么样子。最具争议的是大小为地球2到4倍的行星,它们被称为“超级地球”,有时也称为“迷你海王星”。一些天文学家认为它们是包裹在厚厚的氢气大气层中的岩石星球,而另一些人则认为它们被水包裹着,可能是固态的冰,也可能是液态水或水蒸气。

  不久前,由哈佛大学天文学家曾理领导的团队报告了计算机模拟的结果,表明这些常见的系外行星很可能是水世界。有些行星的体积可能有高达50%由水组成,而这些水会以各种奇异的形式出现。曾理表示,这些水可能一直是液态的,或者存在于表面以下数千公里处,被压缩成高压的冰形态,类似于新发现的“超离子冰”(superionic ice)。

  这些高压冰本质上就像地球深层地幔中的硅酸盐岩石,又热又硬,“些海洋深不可测。与我们的地球相比,它们是完全不同的世界。

  这些超级地球或迷你海王星可能比太阳系的行星更加常见,而且,宇宙中很可能确实没有另一颗行星能像地球一样。不过,开普勒太空望远镜花了近十年的时间才在所探测到的大量行星中找到规律,而TESS才刚刚开始。开普勒望远镜研究的是天鹅座的一小块天空,而TESS将研究整个天空,其面积是开普勒视野的400倍。TESS将专注于距离我们较近的明亮恒星,这将有可能通过地面望远镜进行后续观测。

  TESS对远距离环绕恒星运行的行星进行长期观测的结果令人期待。这些星球更难看到,TESS通过研究恒星亮度中的变化光点来探测行星的存在,距离主恒星很远的行星需要很长时间才能经过其前方,形成一个更能捕捉到的延长光点,而且它们使星光变暗的程度更低。毫无疑问,想从这个光点中得出任何关于行星的确定结论,都将面临巨大的挑战。

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