科學(xué)家描繪低質(zhì)量系外行星大氣逃逸新圖象

中國科學(xué)報 2024年5月9日報道，中國科學(xué)院云南天文臺研究員郭建恒完成的最新研究5月9日在《自然—天文》上發(fā)表。這項研究揭示了影響低質(zhì)量系外行星劇烈大氣逃逸過程——“流體大氣逃逸”的不同驅(qū)動機(jī)制，并提出了一種新的更準(zhǔn)確的分類方法。

對太陽系以外行星的研究是天文學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。圍繞著恒星公轉(zhuǎn)的行星的大氣層可能會因為多種原因離開行星進(jìn)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得多。

郭建恒介紹，流體大氣逃逸在太陽系行星的早期可能發(fā)生，如果地球早期以流體動力學(xué)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(fù)存在。

然而，科學(xué)家通過空間和地面望遠(yuǎn)鏡的觀測發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量，還影響了行星的氣候和宜居環(huán)境。

“低質(zhì)量系外行星的流體大氣逃逸可以由行星內(nèi)能、恒星潮汐力做功或恒星的極端紫外輻射加熱單獨(dú)或共同驅(qū)動?！惫ê愀嬖V《中國科學(xué)報》。

此前，研究人員需要依賴復(fù)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(jī)制驅(qū)動的，而且得到的結(jié)論往往并不明確。

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

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

而對于內(nèi)能無法驅(qū)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(jìn)的“金斯參數(shù)”。利用這一改進(jìn)后的參數(shù)，科研人員準(zhǔn)確區(qū)分了恒星潮汐力和極端紫外輻射在驅(qū)動大氣逃逸上的角色。

此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，具有高引力勢和低恒星輻射的行星更可能經(jīng)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(xué)院院士、中國科學(xué)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(tǒng)的基本物理參數(shù)對行星大氣的逃逸機(jī)制做出了清晰分類，推進(jìn)了人們對行星大氣逃逸的認(rèn)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(jù)。”

郭建恒相信，這項研究的結(jié)果不僅可以幫助我們串聯(lián)一個行星的大氣層如何隨時間演化，對于探查低質(zhì)量行星的演化和起源也有著潛在的應(yīng)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(fā)現(xiàn)將幫助我們更好地理解這些遙遠(yuǎn)世界的環(huán)境和演變歷程。

（來源：中國科學(xué)報）