系外行星的成分研究取得進展

近日，中國科學院紫金山天文台等提出一個限定低質量系外行星物質成分的方法，揭示迄今已發現的低質量系外行星大多是類似地球的岩石行星，為系外行星宜居性研究提供了理論依據。

尋找類似地球的宜居行星一直以來是系外行星研究的前沿課題。隨著觀測技術的不斷進步，天文學家目前已發現了近四千顆系外行星。這些系外行星樣本一方面為研究和檢驗行星形成理論提供了寶貴的觀測依據，另一方面還將有助於回答許多在行星科學中眾多懸而未決的科學問題。比如，類似地球的宜居行星在宇宙中是否普遍存在？行星形成過程中的軌道遷移能否把大量的水帶到宜居區？系外低質量行星能否像太陽系類地行星那樣演化出次生大氣層？回答這些問題，不僅需要獲取大量的系外行星樣本，還需要了解這些行星各自的物質成分信息。但受制於極為有限的觀測精度，對於低質量系外行星來說，無論是地基還是空間探測，現在仍無法通過直接的光譜觀測來分析其物質構成。目前可以取得的只是通過高精度的凌星觀測估算出行星半徑，進而結合視向速度觀測獲得行星質量。即便能夠同時知曉系外行星的質量和半徑，也很難確定其物質成分。已有研究表明，系外行星的質量半徑關係存在嚴重的簡併關係，這就意味著整體物質成分差異很大的行星，可以通過不同的物質成分比例得到相同的行星質量和半徑。

為了破除系外行星質量半徑關係上的簡併關係，來自紫金山天文台和瑞士伯爾尼大學的科研人員，從長期演化的角度著手，分析觀測到的系外行星的質量和半徑，並把行星的中央恆星類型、行星系統的年齡與行星的軌道半長徑等關鍵參數作為分析依據。通過模擬一個個類似月球大小的星子的吸積生長和熱演化過程，研究人員可以定性地去除和物理模型相違背的行星物質成分組合。例如，基於中央恆星的類型和行星軌道半長徑這兩個參數，可定量計算恆星輻射產生的大氣逃逸速率，成功去除低質量系外行星大氣層產生的簡併度。進一步，結合系統年齡和行星的質量-平均密度關係，亦可部分消除岩石和水的簡併度。

該研究首先模擬了十多萬例行星在100億年的時間內的形成和演化過程，得到了和真實觀測到的系外行星樣本相符的統計分布，驗證了該方法所依賴的行星形成和演化理論。進一步模擬了兩批具有不同行星含水量的算例，並把兩個算例給出的行星族群在半徑空間的分布和美國NASA的Kepler空間望遠鏡觀測到的系外行星的半徑分布相比較，發現Kepler所發現的行星的半徑分布對應於行星內核不含水的情況。針對已獲得較為精確的質量和半徑數據的系外行星，研究人員計算了它們在各種極限初始條件和演化過程下得到的質量和半徑，給出所對應的行星形成和演化歷史，並最終限定出系外行星的整體物質組成。

行星的整體物質成分與行星形成和演化過程中的諸多因素密切相關。研究一顆系外行星的整體成分，不僅有助於推測其形成和演化的歷史，還可以判斷該行星是否適宜生命存在。在不遠的將來，TESS、CHEOPS、PLATO 2.0這三個空間項目將得到大量系外行星高精度的質量和半徑信息。該項工作為後續系外行星樣本物質成分甄別及系外行星的宜居性研究等提供了堅實基礎。

相關研究成果發表在《天體物理學雜誌》上，第一作者為紫金山天文台博士晉陞，合作者為瑞士伯爾尼大學教授Christoph Mordasini。該研究得到了國家自然科學基金委、中科院行星科學重點實驗室等資助。

圖1.模型得到的行星族群（左）和系外行星（右）在質量-平均密度圖上的分布。該結果驗證了模型所依賴的行星形成和演化理論。

圖2.不含水行星族群（左圖中的點）、含水行星族群（右圖中的點）和Kepler空間望遠鏡觀測到的行星（左圖和右圖中的陰影部分，其中陰影的深淺代表行星數目的多少）半徑分布的比較。該圖表明Kepler空間望遠鏡觀測到的系外行星的半徑分布和行星內核不含水的情況相符。

圖3.已知低質量系外行星的半徑和軌道半長徑分布，以及由模型計算得出的行星整體物質成分。該圖表明已知的低質量系外行星均與行星含有大量水的模型不符。

來源：中國科學院紫金山天文台

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！