我国学者揭示了低质量系外行星大气流体逃逸的新图像
2025/06/01
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图1 当金斯参数小于3.5，不需要其他外部能源驱动，大气可以自发逃逸。这类逃逸的发生要求行星的温度足够高或者引力势非常小。当金斯参数大于3.5，没有大气流体逃逸发生
图2 对于金斯参数大于3.5的情况，大气逃逸需要外部能源。宿主恒星的极紫外辐射加热和潮汐力是驱动大气逃逸的能源机制。左图显示当使用传统的金斯参数时无法区分这两种机制驱动的大气逃逸。通过定义一个改进的金斯参数，恒星极紫外辐射驱动（三角形）和潮汐力驱动（星号）的逃逸能够被很好的区分（右图）
在国家自然科学基金项目（批准号：12288102）资助下，中国科学院云南天文台郭建恒研究员创新性地提出一种有效判断低质量行星富氢大气逃逸机制和物理现象的新方法，这为包括类地行星的低质量行星族群在哪个阶级段使用什么样的大气逃逸驱动机制指明了路径。研究成果以“低质量系外行星大气流体逃逸图像的刻画（Characterization of the regimes of hydrodynamic escape from low-mass exoplanets）”为题于2024年5月9日发表在《自然?天文学》（Nature Astronomy）杂志上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02269-w。
天文学们一直在致力于发现另一个地球，而行星上的大气是行星是否可宜居的关键因素。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。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“大气流体逃逸”。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。大气流体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。大气流体逃逸在太阳系行星的早期可能发生，如果地球在早期以流体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。令人兴奋的是，通过空间和地面望远镜的观测，发现大气流体逃逸在一些太阳系外行星上一直存在。
行星的大气流体逃逸可以由行星内能、恒星潮汐力做功或恒星的X射线和极端紫外辐射加热单独或共同驱动，但是对它们各自扮演的角色一直没有明确的定论。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。
在中国科学院云南天文台最新的研究中，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。这项研究发现，即使在没有其他外部能量源的情况下，在那些低质量和大半径的胖行星上，高的行星温度就可以驱动流体大气逃逸。行星核心放热或者恒星的光学和近红外辐射在较低大气层沉积的热能在很大程度上决定了行星的平衡温度，因此，这一过程要求行星的“金斯参数”–一个描述行星引力势能与热能之间比例的无量纲参数-小于3.5（图1）。
然而，当考虑外部能量驱动过程，比如恒星的极紫外辐射对大气的加热和潮汐力做功驱动的流体逃逸时，金斯参数对此无能为力（图2左）。鉴于此，作者提出了一个考虑潮汐力影响的“改进的金斯参数”。这个新参数允许研究者更精确地区分外部能源导致大气逃逸的不同物理过程。研究表明，当行星非常靠近主星且改进的金斯参数低于3时，此时行星受到很强的恒星潮汐力，大气逃逸主要由潮汐力驱动；改进的金斯参数在3到6的范围内时，恒星的极紫外辐射和潮汐力都可能触发大气逃逸；而当改进的金斯参数超过6时，恒星的潮汐力不再重要，大气逃逸主要由恒星的极紫外辐射加热驱动（图2右）。
此外，研究还发现，具有高引力势的行星如果接受的恒星极紫外辐射更弱时，可能经历一种慢的、亚声速的流体大气逃逸。否则行星则以快的、跨声速的流体逃逸为主。最后，上述研究也发现行星的引力势和接收到的主星X射线和极紫外辐射在很大程度上决定了行星大气的电离度，而电离度的大小对于探测到大气流体逃逸现象至关重要。
上述研究为我们提供了一种仅仅使用恒星-行星系统基本参数就可以简洁分类大气流体逃逸驱动机制和电离结构的方法，同时该研究的结果可应用于行星演化计算。这项研究的成果不仅丰富了我们对系外行星大气流体逃逸机制的理解，也为未来的行星可宜居性理论研究提供了重要的参考。
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