科学家描绘低质量系外行星大气逃逸新图象

5月9日，中国科学院云南天文台研究员郭建恒完成的最新研究在《自然—天文》发表。这项研究揭示了影响低质量系外行星剧烈大气逃逸过程——“流体大气逃逸”的不同驱动机制，并提出了一种新的更准确地分类方法。

研究示意图。云南天文台供图

对太阳系以外行星的研究是天文学研究的热点之一。围绕着恒星公转的行星的大气层可能会因为多种原因离开行星进入太空。这些行星大气层中的上层大气以整体的行为猛烈离开行星的方式被称为“流体大气逃逸”。相对于目前太阳系行星中以粒子行为的逃逸方式，流体逃逸过程要猛烈的多。

郭建恒介绍，流体大气逃逸在太阳系行星的早期可能发生，如果地球早期以流体动力学逃逸的形式失去整个大气，可能变得和火星一样荒凉。如今，这种猛烈的逃逸方式在地球等行星中已不复存在。

然而，科学家通过空间和地面望远镜的观测发现，流体逃逸在一些离宿主恒星较近的系外行星上一直存在。流体大气逃逸不仅改变了行星的质量，还影响了行星的气候和宜居环境。

“低质量系外行星的流体大气逃逸可以由行星内能、恒星潮汐力做功或恒星的极端紫外辐射加热单独或共同驱动。”郭建恒告诉《中国科学报》。

此前，研究人员需要依赖复杂的计算来判断一颗行星上的流体逃逸究竟是由哪种物理机制驱动的，而且得到的结论往往并不明确。

对此，在最新发表的论文中，科研人员仅使用质量、半径和轨道距离等恒星和行星的基本物理参数，就可以对低质量行星流体逃逸的机制做出分类。

研究发现，在那些低质量和大半径的行星上，如果行星有足够的内能或者高的温度就可以驱动大气逃逸。因此，采用代表行星内能和势能比值的“金斯参数”就可以对上述逃逸是否发生做出判断。

而对于内能无法驱动大气逃逸的行星，该研究通过引入恒星的潮汐力，定义了一个改进的“金斯参数”。利用这一改进后的参数，科研人员准确区分了恒星潮汐力和极端紫外辐射在驱动大气逃逸上的角色。

此外，该研究还发现，具有高引力势和低恒星辐射的行星更可能经历一种慢速的流体大气逃逸，其他的行星则以快速的流体逃逸为主。

中国科学院院士、中国科学院云南天文台研究员韩占文指出：“该研究巧妙地使用了恒星行星系统的基本物理参数对行星大气的逃逸机制做出了清晰分类，推进了人们对行星大气逃逸的认识，为下一步研究行星可宜居性和行星大气演化过程提供了理论依据。”

郭建恒相信，这项研究的结果不仅可以帮助我们串联一个行星的大气层如何随时间演化，对于探查低质量行星的演化和起源也有着潜在的应用价值。随着人类对宇宙中其他潜在宜居星球探索的不断深入，这些发现将帮助我们更好地理解这些遥远世界的环境和演变历程。

相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41550-024-02269-w