一项新的研究提出了一种引人注目的超地球和迷你海王星的形成模型——这些行星的大小是地球的1到4倍，且在我们的银河系中是最常见的行星。研究人员使用先进的模拟技术，提出这些行星源自于行星胚的不同环，提供了关于我们太阳系之外的行星演化的新见解。
莱斯大学的研究人员志田翔和安德烈·伊兹多罗（Andre Izidoro）进行的一项新研究提出了一种引人注目的超地球和迷你海王星的形成模型——这些行星的大小是地球的1到4倍，且在我们的银河系中是最常见的行星。研究人员使用先进的模拟技术，提出这些行星源自于行星胚的不同环，提供了关于我们太阳系之外的行星演化的新见解。这些发现最近发表在《天体物理学期刊快报》上。
几十年来，科学家们一直在争论超地球和迷你海王星是如何形成的。传统模型认为，行星胚——行星的微小构建块——在年轻恒星的盘面上广泛形成。但志田和伊兹多罗提出了一个不同的理论：这些物质可能在盘面的特定位置集中在狭窄的环中，使得行星形成比以往认为的更有序。
“这篇论文特别重要，因为它模拟了超地球和迷你海王星的形成，而这被认为是银河系中最常见的行星类型，”志田说，他是地球、环境和行星科学的博士后研究员。“我们的一个主要发现是，太阳系和系外行星系统的形成路径可能存在基本的相似性。”
研究人员使用先进的N体模拟——一种通过重力分析物体相互作用的计算模型——研究了在两个不同区域内的行星形成：一个位于宿主恒星1.5天文单位（AU）以内，另一个位于5天文单位以外，靠近水雪线。模拟跟踪了行星胚在数百万年间的碰撞、成长和迁移。结果表明，超地球主要通过内盘中的行星胚聚集形成，而迷你海王星则在雪线之外，主要通过卵石聚集而形成。
“我们的结果表明，超地球和迷你海王星并不是从连续的固态物质分布中形成的，而是通过集中大多数固体质量的环形成的，”伊兹多罗说，他是地球、环境和行星科学的助理教授。“莱斯大学的相关研究探索了这一理念的某些方面，但这篇新论文将这些概念汇聚成一个统一且连贯的图景。”
研究人员的模型成功复制了系外行星系统的一些关键特征，包括“半径谷”——一种约1.8倍地球大小的行星的显著稀缺性。相反，系外行星往往聚集成两个大小组：大约1.4倍和2.4倍的地球大小。该模型通过预测小于1.8倍地球半径的行星主要是岩质超地球而解释了这一差距，而较大的一类则是富水的迷你海王星，紧密符合实际观察结果。
该研究还提供了对多行星系统中观察到的大小均匀性的见解。许多系外行星系统显示出“豌豆荚”模式，其中同一系统内的行星在大小上惊人地相似。环模型通过控制行星在各自环中形成和增长的方式，自然产生这种均匀性。
志田和伊兹多罗的模拟也与观察到的行星轨道分布相一致，强化了行星源自特定位置而非随机分散在盘上的观点。
除了解释这些观察外，该模型还允许对行星形成进行预测性分析，甚至暗示了其他类地行星的潜力。伊兹多罗说，尽管这种情况很少见，能够在适居带形成的岩质行星可能是由于晚期的大型撞击，类似于地球及其月球的形成方式。
“我们可以进一步推进我们的模型，并利用它对地球-太阳等效距离区域的预期行星类型进行预测——这些区域目前超出观察的范围，”伊兹多罗说。“根据我们的预测，多达约1%的超地球和迷你海王星系统可能在其恒星的适居区内存在类地行星。虽然考虑到超地球和迷你海王星的普遍性，这一比例相对较低，但它暗示了每300颗类太阳恒星中约有一颗类地行星的出现率。”
展望未来，这些发现可能对未来的系外行星研究产生深远影响。
“这些预测将通过未来的望远镜进行验证，为行星形成和适居性提供重要的见解，”志田说。“如果未来的观察证实我们的预测，这可能会彻底改变我们对行星形成的理解——不仅限于我们的银河系，还包括整个宇宙。”
