亚海王星的密度差异终于被破译

由日内瓦大学(UNIGE)、英国经济与贸易大学(UNIBE)和PlanetS领导的国际团队证明了存在两个不同的亚海王星群，解决了科学界的一场争论。

我们银河系中的大多数恒星都有行星。数量最多的是亚海王星，即介于地球和海王星大小之间的行星。计算它们的密度给科学家带来了一个难题：根据测量它们质量的方法，可以突出显示两种群，即密度大的和密度小的。

这是由于观察偏差还是两个不同的亚海王星种群的物理存在?NCCRPlanetS、日内瓦大学(UNIGE)和伯尔尼大学(UNIBE)最近的研究支持后者。该研究发表在《天文学与天体物理学》上。

我们的银河系中有很多系外行星。最常见的是位于地球半径(约6,400公里)和海王星半径(约25,000公里)之间的行星，被称为“亚海王星”。据估计，30%到50%的类太阳恒星至少包含其中一颗。

计算这些行星的密度是一项科学挑战。要估计它们的密度，我们必须首先测量它们的质量和半径。问题是，用TTV(凌日时间变化)方法测量质量的行星的密度小于用径向速度法(另一种可能的测量方法)测量质量的行星的密度。

“TTV方法涉及测量凌日时间的变化。同一系统中行星之间的引力相互作用将略微改变行星经过恒星前方的时刻，”日内瓦大学理学院天文系科学合作者、这项研究的共同作者Jean-BaptisteDelisle解释道。

“另一方面，径向速度法涉及测量由于行星的存在而引起的恒星速度变化。”

消除偏见

由NCCRPlanetS、UNIGE和UNIBE的科学家领导的国际团队发表了一项研究，解释了这一现象。这不是由于选择或观察偏差，而是由于物理原因。

“通过TTV方法测量的大多数系统都处于共振状态，”日内瓦大学理学院天文系助理教授、该研究的主要作者AdrienLeleu解释道。

当两颗行星的轨道周期比为有理数时，它们就会发生共振。例如，当一颗行星绕其恒星公转两次时，另一颗行星就会公转一次。如果有多颗行星发生共振，就会形成拉普拉斯共振链。

“因此，我们想知道密度和行星系统的共振轨道结构之间是否存在内在联系，”研究人员继续说道。

为了建立密度和共振之间的联系，天文学家首先必须通过严格选择行星系统进行统计分析来排除数据中的任何偏差。例如，在凌日过程中探测到的大型低质量行星需要更长的时间才能在径向速度下被探测到。

这增加了在行星在径向速度数据中可见之前，以及因此在估算其质量之前，观测被中断的风险。

“这种选择过程会导致文献中出现偏见，倾向于用径向速度法表征的行星具有更高的质量和密度。由于我们无法测量它们的质量，因此密度较低的行星将被排除在我们的分析之外，”Leleu解释道。

一旦完成了数据清理，天文学家就可以使用统计测试确定，无论使用何种方法确定其质量，亚海王星的密度在共振系统中低于非共振系统中的亚海王星。

共鸣问题

科学家们对这种联系提出了几种可能的解释，包括行星系统形成的过程。这项研究的主要假设是，所有行星系统在它们存在的最初几分钟内都会趋向于共振链状态，但只有5%保持稳定。

其余95%变得不稳定。共振链随即断裂，产生一系列“灾难”，例如行星之间的碰撞。行星融合在一起，密度增加，然后在非共振轨道上稳定下来。

这一过程产生了两种截然不同的亚海王星群：密度大的和密度小的。“过去二十年，我们在伯尔尼开发的行星系统形成和演化的数值模型准确地再现了这一趋势：共振行星的密度较小。

“此外，这项研究证实，大多数行星系统都发生过巨大碰撞，这些碰撞与月球诞生时的碰撞类似，甚至更为剧烈，”UNIBE空间研究与行星科学部(WP)教授、空间与宜居性中心联合主任兼研究报告共同作者YannAlibert总结道。

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