圖：銀河系似乎存在很多體積是地球 2 到 4 倍大的行星。然而，由于某些原因，半徑為地球半徑 1.5 到 2 倍之間的行星非常罕見。

　　新浪科技訊，北京時(shí)間 8 月 7 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，太陽形成之后，其起源云所遺留的塵埃和氣體緩慢旋轉(zhuǎn)，逐漸形成我們今天所見到的八大行星，體積較小的巖石行星靠近太陽，巨大的氣體行星則漂浮在太陽系的遠(yuǎn)端。在銀河系中無數(shù)的恒星周圍，這一過程不斷重復(fù)，形成了許許多多大小不一的行星。然而，從目前的觀測結(jié)果來看，比地球稍大一點(diǎn)的行星卻十分罕見。

　　凌日系外行星巡天衛(wèi)星(Transiting Exoplanet Survey Satellite，簡稱 TESS)是美國國家航空航天局(NASA)最新用于搜尋行星的太空望遠(yuǎn)鏡，目前已經(jīng)運(yùn)行了一年多時(shí)間。盡管 TESS 記錄的系外行星越來越多，但天文學(xué)家對行星體積的困惑卻一直沒有得到解決。2017 年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)行星的大小之間存在某種神秘的差距。這一差距表明，無論是在更廣闊的宇宙中，還是在我們所處的太陽系，科學(xué)家都需要一些新的觀點(diǎn)來解釋行星是如何形成的。

　　自 2018 年 4 月發(fā)射以來，天文學(xué)家已經(jīng)利用 TESS 在距離我們最近的恒星周圍發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆可能存在的行星，其中包括目前已確認(rèn)的 24 顆行星。銀河系似乎存在很多較小的行星，尤其是那些體積是地球(或地球附近的其他行星)2 到 4 倍大的行星。然而，由于某些原因，半徑為地球半徑 1.5 到 2 倍之間的行星非常罕見。

　　這一范圍內(nèi)行星如此稀少的現(xiàn)象被稱為“富爾頓缺口”(Fulton gap)，以指出該現(xiàn)象的論文的第一作者本杰明·富爾頓命名。富爾頓缺口首次出現(xiàn)在開普勒太空望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果中。雖然 TESS 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中還沒有足夠的行星來證實(shí)或反駁富爾頓缺口，但這一趨勢仍在繼續(xù)。天文學(xué)家表示，富爾頓缺口很可能不會消失。

　　一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)恒星系統(tǒng)，該系統(tǒng)在富爾頓缺口的兩側(cè)各有一顆行星。一顆是所謂的“迷你海王星”，半徑大約是地球的 2.6 倍;另一顆略小于地球，大小約為地球的 90%。后者是 TESS 所記錄的第一顆近似地球大小的系外行星。

　　行星半徑的富爾頓缺口可能源于行星形成的某種規(guī)律，以及它們早期的情況。由于行星的大氣層可以構(gòu)成其半徑的很大一部分，因此許多推測都圍繞大氣層可能發(fā)生的情況。一種可能性是反向的“金發(fā)姑娘原則”，即具有大氣層的中型巖質(zhì)行星無法持續(xù)存在，要么行星的體積足夠大，可以留住大氣層。如果行星的體積適中，那就可能不夠大，很快就會失去大氣層，這就像一場拔河比賽;要保持中間狀態(tài)真的很難。

　　雖然某種程度的大氣層損失是合理的猜測，但這只是三個(gè)普遍觀點(diǎn)之一。另一種理論認(rèn)為，富爾頓缺口直接源于行星的形成，可能是恒星誕生時(shí)所遺留氣體和塵埃的位置或組成所致。或者，正如第三種理論所提出的，行星自身的冷卻過程可能會導(dǎo)致大氣層蒸發(fā)，這一效應(yīng)被稱為“核心驅(qū)動的質(zhì)量損失”(core-powered mass loss)，當(dāng)特定體積的行星從內(nèi)部向太空輻射熱量時(shí)，它們的大氣層會被吹走，這可能會使它們落入半徑缺口的另一側(cè)。

　　富爾頓缺口為正在出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)模式增添了細(xì)節(jié)。在許多系外行星系統(tǒng)中，就像在我們所處的太陽系一樣，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，較小的行星往往靠近主恒星運(yùn)行，而較大的行星則離主恒星更遠(yuǎn)。前者與恒星之間的距離可能是它們體積較小的原因之一，最初，它們可以像遙遠(yuǎn)的大型行星一樣體積很大，但是在恒星的灼熱氣息和紫外線輻射沖擊下，它們失去了大氣層，因此失去了大量的質(zhì)量。

　　科學(xué)家認(rèn)為火星很可能經(jīng)歷過類似的事情。一開始，火星的大氣層比較厚，但是一旦失去了磁場的保護(hù)，太陽會將它的大氣層慢慢“吹”走，甚至地球大氣層也在失去一部分氫，這些行星系統(tǒng)中，有一部分可能經(jīng)歷了更嚴(yán)重的早期歷史，在未來，科學(xué)家希望看看它們的大氣層，或許這會給我們一些啟發(fā)。

　　至于這些系外行星的種類構(gòu)成，天文學(xué)家目前還不能確定其中大部分行星的內(nèi)部是什么樣子。最具爭議的是大小為地球 2 到 4 倍的行星，它們被稱為“超級地球”，有時(shí)也稱為“迷你海王星”。一些天文學(xué)家認(rèn)為它們是包裹在厚厚的氫氣大氣層中的巖石星球，而另一些人則認(rèn)為它們被水包裹著，可能是固態(tài)的冰，也可能是液態(tài)水或水蒸氣。

　　不久前，由哈佛大學(xué)天文學(xué)家曾理領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)報(bào)告了計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，表明這些常見的系外行星很可能是水世界。有些行星的體積可能有高達(dá) 50% 由水組成，而這些水會以各種奇異的形式出現(xiàn)。曾理表示，這些水可能一直是液態(tài)的，或者存在于表面以下數(shù)千公里處，被壓縮成高壓的冰形態(tài)，類似于新發(fā)現(xiàn)的“超離子冰”(superionic ice)。

　　這些高壓冰本質(zhì)上就像地球深層地幔中的硅酸鹽巖石，又熱又硬，“些海洋深不可測。與我們的地球相比，它們是完全不同的世界。

　　這些超級地球或迷你海王星可能比太陽系的行星更加常見，而且，宇宙中很可能確實(shí)沒有另一顆行星能像地球一樣。不過，開普勒太空望遠(yuǎn)鏡花了近十年的時(shí)間才在所探測到的大量行星中找到規(guī)律，而 TESS 才剛剛開始。開普勒望遠(yuǎn)鏡研究的是天鵝座的一小塊天空，而 TESS 將研究整個(gè)天空，其面積是開普勒視野的 400 倍。TESS 將專注于距離我們較近的明亮恒星，這將有可能通過地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行后續(xù)觀測。

　　TESS 對遠(yuǎn)距離環(huán)繞恒星運(yùn)行的行星進(jìn)行長期觀測的結(jié)果令人期待。這些星球更難看到，TESS 通過研究恒星亮度中的變化光點(diǎn)來探測行星的存在，距離主恒星很遠(yuǎn)的行星需要很長時(shí)間才能經(jīng)過其前方，形成一個(gè)更能捕捉到的延長光點(diǎn)，而且它們使星光變暗的程度更低。毫無疑問，想從這個(gè)光點(diǎn)中得出任何關(guān)于行星的確定結(jié)論，都將面臨巨大的挑戰(zhàn)。
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