科學家描繪低質量系外行星大氣逃逸新圖象

5月9日，中國科學院云南天文臺研究員郭建恒完成的最新研究在《自然—天文》發表。這項研究揭示了影響低質量系外行星劇烈大氣逃逸過程——“流體大氣逃逸”的不同驅動機制，并提出了一種新的更準確地分類方法。

研究示意圖。云南天文臺供圖

對太陽系以外行星的研究是天文學研究的熱點之一。圍繞著恒星公轉的行星的大氣層可能會因為多種原因離開行星進入太空。這些行星大氣層中的上層大氣以整體的行為猛烈離開行星的方式被稱為“流體大氣逃逸”。相對于目前太陽系行星中以粒子行為的逃逸方式，流體逃逸過程要猛烈的多。

郭建恒介紹，流體大氣逃逸在太陽系行星的早期可能發生，如果地球早期以流體動力學逃逸的形式失去整個大氣，可能變得和火星一樣荒涼。如今，這種猛烈的逃逸方式在地球等行星中已不復存在。

然而，科學家通過空間和地面望遠鏡的觀測發現，流體逃逸在一些離宿主恒星較近的系外行星上一直存在。流體大氣逃逸不僅改變了行星的質量，還影響了行星的氣候和宜居環境。

“低質量系外行星的流體大氣逃逸可以由行星內能、恒星潮汐力做功或恒星的極端紫外輻射加熱單獨或共同驅動。”郭建恒告訴《中國科學報》。

此前，研究人員需要依賴復雜的計算來判斷一顆行星上的流體逃逸究竟是由哪種物理機制驅動的，而且得到的結論往往并不明確。

對此，在最新發表的論文中，科研人員僅使用質量、半徑和軌道距離等恒星和行星的基本物理參數，就可以對低質量行星流體逃逸的機制做出分類。

研究發現，在那些低質量和大半徑的行星上，如果行星有足夠的內能或者高的溫度就可以驅動大氣逃逸。因此，采用代表行星內能和勢能比值的“金斯參數”就可以對上述逃逸是否發生做出判斷。

而對于內能無法驅動大氣逃逸的行星，該研究通過引入恒星的潮汐力，定義了一個改進的“金斯參數”。利用這一改進后的參數，科研人員準確區分了恒星潮汐力和極端紫外輻射在驅動大氣逃逸上的角色。

此外，該研究還發現，具有高引力勢和低恒星輻射的行星更可能經歷一種慢速的流體大氣逃逸，其他的行星則以快速的流體逃逸為主。

中國科學院院士、中國科學院云南天文臺研究員韓占文指出：“該研究巧妙地使用了恒星行星系統的基本物理參數對行星大氣的逃逸機制做出了清晰分類，推進了人們對行星大氣逃逸的認識，為下一步研究行星可宜居性和行星大氣演化過程提供了理論依據。”

郭建恒相信，這項研究的結果不僅可以幫助我們串聯一個行星的大氣層如何隨時間演化，對于探查低質量行星的演化和起源也有著潛在的應用價值。隨著人類對宇宙中其他潛在宜居星球探索的不斷深入，這些發現將幫助我們更好地理解這些遙遠世界的環境和演變歷程。

相關論文信息：http://doi.org/10.1038/s41550-024-02269-w