近期，一支國際聯合研究團隊利用我國郭守敬望遠鏡（LAMOST）并結合國際上的蓋亞（Gaia）和開普勒（Kepler）空間望遠鏡數據，得到了行星半徑分布隨宿主恒星年齡和金屬豐度的演化規律。相關研究成果近日發表于《天文學雜志》。
據悉，20世紀90年代至今，人類發現的系外行星已超過5000顆。但迄今為止發現的最豐富的行星類型既不是氣態巨行星也不是巖石行星，而是太陽系中沒有的，大小介于地球和海王星之間的行星。
其中，比地球略大（約1～2倍地球半徑）的稱為“超級地球”，比海王星略小（約2～4倍地球半徑）的稱為“亞海王星”。這些行星的結構是怎樣的呢？它們又是如何形成和演化的呢？
隨著系外行星大量被發現，科研人員對其大樣本的統計表明，行星出現率在行星大小為兩個地球半徑附近存在一個低谷，稱為“行星半徑谷”。這一發現為揭示行星的內部結構提供了關鍵的新線索和方向。
已有的研究認為，半徑谷左側的超級地球是放大版的地球，在更大的石質內核外包裹著稀薄大氣，但右側亞海王星的結構尚不清楚。
關于這個行星半徑谷的形成機制，目前研究提出的理論模型一般可分為兩類：演化模型和原初形成模型。
演化模型認為，亞海王星由石質內核和厚厚的氣體包層組成。在外部恒星的輻射（稱為光致蒸發）或者行星內核儲存的熱量（稱為行星核熱）的作用下，部分亞海王星的大氣包層被剝離，僅留下了石質內核，也就是超級地球。
原初演化模型認為，半徑谷是行星形成的自然結果，如一些研究認為其兩側分別對應著成分不同的兩類行星：致密石質超級地球和富水/冰的亞海王星（如表面被數百到數千公里的海洋覆蓋的“海洋行星”）。
國際聯合研究團隊采用估計年齡的運動學方法，即借助LAMOST和Gaia的觀測數據對Kepler行星系統的宿主恒星的運動速度做精確刻畫，并以此估計年齡，研究了系外行星“半徑谷”隨宿主恒星年齡和金屬豐度的演化規律。
他們發現，隨著年齡的增大，亞（類）海王星的平均半徑逐漸減小，而超級地球的平均半徑則幾乎不變。這很可能意味著亞海王星年輕的時候包含足夠厚的氣體包層，隨著年齡增大，行星逐漸冷卻，包層收縮，半徑減小。這一結果更加支持演化模型，表明（至少部分）亞海王星是氣體矮巨星。
他們還發現行星“半徑谷”在恒星形成早期已初步形成，并隨著年齡增大而越來越明顯。同時超級地球和亞海王星的數量比也越來越大，這也與演化理論的預期一致：部分亞海王星（氣體矮巨星）被剝離大氣，演變為超級地球。
從定量上看，行星半徑在早期通過光致蒸發效應初步形成，后期在行星核熱的作用下進一步加強。此外，研究發現亞海王星更傾向于出現在富鐵和富鎂/硅/鈣的恒星周圍，表明金屬元素 (鐵、鎂、硅、鈣等) 在亞海王星的形成中發揮了重要作用。
研究人員透露，這篇文章是"系外行星的空間分布和年齡演化"（英文簡稱為PAST，中文簡稱"穿越"）系列的第三篇文章，更多"穿越"系列的后續工作正在進行和準備中。