“外海王星”系外行星LTT 9779 b打破常规

　　围绕其主星运行的系外行星LTT9779b的艺术家印象。鸣谢:uux.cn/里卡多·拉米雷斯·雷耶斯(智利大学)

　　据今日宇宙（埃文·高夫）：随着行星搜寻科学家发现越来越多的行星，他们遇到了一些难题。其中一个问题是缺少海王星大小的行星围绕它们的恒星运行。天文学家认为，这些行星的质量不足以在其恒星的强大辐射面前保留其大气层，这种辐射会将其剥离。

　　但是至少有一颗行星保留了它的大气层。怎么会？

　　天文学家给这种恒星附近缺乏海王星大小的行星起了个名字。他们称之为海王星沙漠，或者有时是“蒸发沙漠”

　　这个术语只有一个宽泛的定义，通常被描述为如此靠近恒星以至于轨道周期只有两到四天的区域。它还被定义为缺乏海王星大小的行星，其质量约为木星的十分之一。通常情况下，当行星迁移到如此靠近恒星的位置时，它们就会失去大气层，只剩下岩石核心，仅仅是它们曾经膨胀的残余。

　　LTT 9779 b是一颗在海王星沙漠中保留了大气的行星。它围绕一颗大约260光年远的G型恒星运行。它有29个地球质量，尽管距离其恒星只有0.01679天文单位，完成一周轨道只需0.8天，但仍保留了其大气层。在这种情况下，恒星压倒性的辐射应该已经清除了行星的大气层。为什么没有？

　　新的研究开始回答这个问题。它的标题是“海王星沙漠中的生存:LTT 9779 b多亏了一颗不寻常的X射线微弱的宿主星才保持了它的大气层。”它将会发表在皇家天文学会的每月通知上，并且目前已经发布到arXiv预印本服务器上。主要作者是华威大学天文学和天体物理学组的博士生豪尔赫·费尔南德斯·费尔南德斯。

　　光蒸发是一个众所周知的现象，它与恒星自转有关。所有的恒星都在旋转，当它们快速旋转时，会产生强大的磁场，进而以X射线和紫外线辐射的形式驱动强大的电磁能量。当这些高能光子撞击行星大气层中的分子时，它们将分子推入太空。只有行星的引力才能抵消它，这解释了为什么有这么多巨大的热木星，而在海王星沙漠中几乎没有行星。

　　这张研究图展示了海王星沙漠。x轴表示轨道周期，y轴表示行星半径。LT 9779 b是红星。每个蓝灰色的点是美国宇航局系外行星档案中的一颗系外行星，绿色的点是超短周期海王星。致谢:uux.cn/费尔南德斯等人，2023年

　　LTT 9779 b是唯一一颗已知的轨道周期小于一天的海王星类行星，它有大量的氢/氦大气层。为了让这颗行星紧紧抓住它的大气层，离它的恒星如此之近，一定发生了一些不寻常的事情。“如果海王星沙漠是X射线/EUV驱动的光蒸发的结果，那么令人惊讶的是，LTT 9779 b的大气在其年轻的宿主恒星的高能光子的强烈轰击下幸存了下来，”作者写道。

　　答案一定在恒星本身，因为这么大的行星无法保护自己。它直接位于其恒星强大输出的路径上，没有任何东西可以保护它。为了更仔细地检查这颗恒星，这项研究背后的研究人员使用了欧空局1999年发射的X射线天文台XMM-Newton。

　　该航天器也被称为高通量X射线光谱学任务X射线多镜任务。它的任务是调查星际X射线源，尽管它的发射计划是10年的任务，但在近24年后它仍在继续。XMM-Newton数据是这项研究的核心。

　　恒星的X射线辐射因其自转而增强。高速旋转会产生更强的磁场，这意味着更强的X射线发射，而较慢的旋转意味着更弱的发射。LT 9779的旋转速度约为1.06公里/秒，完成一次公转需要约45天，尽管支持这一点的数据有点弱。相比之下，太阳的旋转速度更快，为1.997公里/秒。这几乎是两倍，与大多数恒星相比，太阳的速度较慢。热恒星的旋转速度往往可以超过100公里/秒。从这个角度来看，LT 9779的旋转速度非常缓慢。

　　年龄是恒星X射线辐射的另一个因素，研究人员将其辐射与其年龄进行了比较。“我们用XMM-Newton观测了LTT 9779，并测量了它的X射线光度上限，比它的年龄预期低15倍，”论文陈述道。

　　研究人员还模拟了行星的内部结构，以及这如何影响它的质量损失历史。他们在两种不同的XUV历史下模拟了行星的半径、包络质量分数和质量损失率。一个有预期的恒星放射历史，一个有微弱的恒星放射历史。

　　他们发现“…它的大气存活至今，与异常微弱的XUV辐射历史相一致，这与X射线和旋转速度测量相匹配。”

　　每个面板显示不同的建模结果。在每个面板中，彩色线条代表行星的起始外壳质量分数。这两根柱子模拟了一颗恒星典型的辐射史和它的暗弱史。每一行都模拟了行星的半径、外壳质量分数和质量损失率。辐照历史反映了XMM-Newton的数据。顶部两个面板底部的灰色虚线代表LTT 9779 b的岩石核心半径。带红线的黑色圆圈代表行星本身，显然符合微弱的辐射历史。致谢:uux.cn/费尔南德斯等人，2023年

　　那么在这个系统中发生了什么，它的一个行星在沙漠中幸存了下来？

　　先前的研究表明，这种不寻常的情况是由于地球后期向内迁移，随后是所谓的罗氏溢出。Roche-lobe溢出通常发生在双星系统中，其中一颗恒星无法保持其所有质量，多余的物质在第二颗恒星周围形成吸积盘。但是在这种情况下，有一颗恒星从一颗行星吸取物质，根据这项早期研究，这颗行星最初是一颗木星质量的行星，它失去了恒星的大部分物质，留下了海王星大小的LTT 9779 b。

　　但是根据这项研究，这种解释并不成立。这些研究人员得出了一个不涉及移民的不同结论。

　　“我们得出结论，LTT 9779最有可能是作为一颗异常缓慢旋转的恒星形成的，由于异常低的X射线辐射，它的海王星大小的行星LTT 9779 b因此能够在海王星沙漠中存活至今，”他们在结论中写道。

　　更多的支持证据来自行星的大气层本身。它具有极高的金属性，较重的分子比较轻的分子更难剥离。它的反照率也很高，可以反射一些恒星的辐射。这只能帮助LTT 9770 b保留它的大气层。

　　这项研究支持光电蒸发是海王星沙漠背后的想法。如果海王星沙漠中唯一保留其大气层的行星围绕着一颗非常缓慢旋转的恒星，并有微弱的排放，而这种微弱的排放与它无关，这将是一个令人难以置信的巧合。那会让人难以置信。

　　“最后，我们的结论是，在海王星沙漠深处唯一已知的具有气体外壳的行星也不寻常地具有X射线暗星，这有力地支持了海王星沙漠的主要起源是X射线驱动的光蒸发的说法。”