根据宾夕法尼亚州立大学研究人员的一项新研究，一系列宇宙过程塑造了我们太阳系外最常见行星类型之一的形成。研究小组利用美国国家航空航天局（NASA）的过境系外行星勘测卫星（TESS）的数据，研究那些围绕其恒星运行的年轻亚海王星——比地球大但比海王星小的行星。这项工作提供了关于这些行星如何在早期阶段向内迁移或失去它们的大气层的见解。
描述该研究的论文于3月17日发表在《天文学杂志》上。研究结果为亚海王星的特性提供了线索，并帮助解决了有关它们起源的长期问题，研究小组表示。
“迄今为止发现的大约5500颗系外行星中的大多数与其恒星的轨道非常接近，比水星与太阳的距离还要近，我们称之为‘近内行星’，”宾夕法尼亚州立大学天文学与天体物理学系的总统博士后研究员、研究小组负责人瑞切尔·费尔南德斯（Rachel Fernandes）说。“其中许多是气态亚海王星，这种行星在我们自己的太阳系中是缺失的。像木星和土星这样的气体巨星形成于离太阳更远的地方，但不清楚如此多的近内亚海王星是如何在靠近恒星的位置生存的，因为它们受到强烈的恒星辐射轰击。”
为了更好地理解亚海王星的形成和演化，研究人员转向年轻恒星周围的行星，这得益于TESS最近的可观测性。
“比较不同年龄恒星周围特定大小的系外行星的频率，可以告诉我们很多关于塑造行星形成的过程，”费尔南德斯说。“如果行星通常在特定大小和位置形成，我们应该在不同年龄的星系中看到类似的这些大小的频率。如果没有，这表明某些过程正在随着时间的推移改变这些行星。”
然而，观察年轻恒星周围的行星传统上是困难的。年轻的恒星会发出强烈的辐射，快速旋转，并且非常活跃，产生高水平的“噪声”，这使得观察它们周围的行星变得具有挑战性。
“年轻的恒星在其生命的第一个十亿年内会发脾气，释放大量辐射，”费尔南德斯解释说。“这些恒星的发脾气在数据中造成了很多噪声，因此我们花了六年时间开发一个叫做‘翼龙’的计算工具，以穿透这种噪声，实际上在TESS数据中检测年轻行星。”
研究小组使用翼龙评估TESS数据，并识别出轨道周期为12天或更短的行星——作为参考，这远低于水星的88天轨道——旨在检查行星的大小，以及这些行星如何受到其宿主恒星辐射的影响。由于该小组的观测窗口为27天，这使他们能够观察潜在行星的两个完整轨道。他们专注于半径在地球大小的1.8到10倍之间的行星，从而能够查看年轻系统与较老系统（之前用TESS和NASA已退役的开普勒太空望远镜观察到的）的亚海王星频率是否相似或不同。
研究人员发现，近内亚海王星的频率随着时间的推移而变化，与10到1亿年之间的恒星相比，100万到10亿年之间的恒星周围的亚海王星数量更少。然而，在更老、更稳定的系统中，近内亚海王星的频率更低。
“我们相信多种过程正在塑造我们在这种大小的近内星周围观察到的模式，”费尔南德斯说。“许多亚海王星可能最初是在离恒星更远的地方形成，并逐渐向内迁移，因此我们在中等年龄的轨道周期中看到了更多。在后来的年份里，行星可能更常见地缩水，当恒星的辐射本质上吹走它的大气层，这一过程称为大气质量损失，可能解释了亚海王星较低的频率。但这很可能是多种宇宙过程随着时间的推移塑造这些模式的结果，而不是单一主导力量。”
研究人员表示，他们希望扩大TESS的观察窗口，以观察具有更长轨道周期的行星。未来的任务，如欧洲航天局的PLATO，可能还允许研究小组观察与水星、金星、地球和火星大小相似的较小行星。扩大对更小和更遥远行星的分析可能有助于研究人员改进他们的工具并提供有关行星如何和在哪里形成的额外信息。
此外，NASA的詹姆斯·韦布太空望远镜可能使得单个行星的密度和成分特征化成为可能，费尔南德斯表示，这可能会提供更多它们形成地点的线索。
“将对个别行星的研究与我们在此进行的人口研究结合起来，将为我们提供围绕年轻恒星的行星形成的更全面的picture，”费尔南德斯说。“我们发现的太阳系和行星越多，我们意识到我们的太阳系并不是真正的典范；它是个例外。未来的任务可能会帮助我们在年轻恒星周围找到更小的行星，并提供关于行星系统如何形成和随着时间演变的更好图景，帮助我们更好地理解我们今天所知的太阳系是如何形成的。”
除了费尔南德斯，宾夕法尼亚州立大学的研究小组还包括在研究时担任科学领域Shaffer职业发展教授和天文学与天体物理学教授的瑞贝卡·道森（Rebekah Dawson），现为NASA的物理科学家。研究小组还包括来自亚利桑那大学的Galen J. Bergsten、Ilaria Pascucci、Kevin K. Hardegree-Ullman、Tommi T. Koskinen和Katia Cunha；来自智利天主教大学的Gijs Mulders；来自加利福尼亚理工学院的Steven Giacalone、Eric Mamajek、Kyle Pearson、David Ciardi、Preethi Karpoor、Jessie Christiansen和Jon Zink；来自剑桥大学洛杉矶分校的James Rogers；普林斯顿大学的Akash Gupta；卡内基科学研究所的Kiersten Boley；哥伦比亚大学的Jason Curtis；石溪大学的Sabina Sagynbayeva；位于澳大利亚南昆士兰大学的Sakhee Bhure；以及乔治亚大学的Gregory Feiden。
该研究得到了NASA的资助，包括“外星地球”拨款的支持；智利国家科学与技术发展基金；以及美国国家科学基金会的支持。此外，宾夕法尼亚州立大学系外行星和宜居世界中心及宾夕法尼亚州立大学外星智能中心也给予了额外支持。此项研究的计算工作在宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所的Roar超级计算机上完成。
