在太阳系中,八大行星可以分为两类——气体行星和岩石行星。气体行星中半径最小的是海王星,约为24764公里;岩石行星中最大的是地球,半径6378公里,二者相差了约3.86倍。

看起来,比海王星大的都是气体行星,比地球小的都是岩石行星。但是,地球和海王星的半径之间还有一个巨大的空缺,那么位于二者之间的行星属于哪一类行星呢?

随着天文学家发现了系外行星,答案似乎越来越清晰。果然,即便是在太阳系之外,巨大的行星也都是以氢和氦元素为主,小一点的行星都有固体表面。

但是,尽管天文学家发现了半径位于地球和海王星之间的系外行星,却只是稍微缩小了这个空缺,而不是完全填补。前几天我们刚刚介绍过,系外行星的半径普遍小于地球的1.4倍,或者大于地球的2.5倍,在此之间的系外行星非常少。尤其是在靠近恒星的位置,1.8倍地球半径的系外行星发现得更少,这个现象被称为“半径峡谷”。

天文学家们提出了一些理论来解释这个现象,其中一个比较主流:如果系外行星达到一定尺寸(以2.5倍地球半径为例)后,其质量也足够大,能够束缚大量的大气;如果系外行星的岩体不够大(以1.4倍地球半径为例),哪怕它曾经有浓厚的大气层,使其半径足够大(比如达到了地球半径的1.8倍),但大气还是会被吹散,以至于半径还是以岩体为主。

所以,只有我们的运气足够好,才能发现相对比较小的行星,还没来得及失去全部的大气。按照上面的理论,半径介于地球1.4~2.5倍之间的行星,岩体应该和地球差不多,并且拥有一个以氢和氦为主的非常浓厚的大气层

最近,天文学家还真的发现了一颗半径处在该范围内的系外行星。按理说他们应该解答了许多问题,实际上恰恰相反,这颗行星显得更诡异了。

这颗系外行星名叫TOI-1075b,距离地球大约200光年。它是由美国宇航局的凌星系外行星巡天(TESS)卫星发现的,也就是说,当它运行到宿主恒星和地球之间的时候,会短暂地降低宿主恒星的亮度天文学家就是这样发现它的。再通过其他方面的观测,就可以确认它的存在了。

凌星法有一个好处,那就是根据恒星亮度的规则变化,就可以确定系外行星的公转周期。不仅如此,根据恒星亮度变化的幅度,天文学家还能够判断系外行星的半径。

结果表明,TOI-1075b的公转周期仅有14.5个小时,也就是说这里的一年比地球的一天还短!毫无疑问,它和宿主恒星之间的距离非常近。而且,它的半径大约是地球的1.72倍,恰好落在半径峡谷内。

长期研究超级地球的麻省理工学院天文学家Zahra Essack注意到了这颗行星的特殊之处,对它非常感兴趣,于是展开了进一步的研究。她首先要了解的,就是TOI-1075b的质量,这对我们了解它的本质来说至关重要。

测量系外行星的质量并不是很困难,其利用的原理就是万有引力定律。行星和恒星之间有引力的相互作用,看起来行星是绕着恒星公转,但恒星也会被行星的引力拖曳,发生轻微的抖动。这种抖动很轻微,通过直接观测是很难获得的,而是需要利用恒星的光谱变化来计算。

我们知道,引力和质量的平方成反比。所以,得到恒星的抖动幅度之外,再对比行星的轨道,就可以知道两颗天体的质量比。接下来,只要知道恒星的质量就可以了。

TOI-1075属于一颗橙矮星,质量是太阳的60%。计算下来,TOI-1075b的质量就是地球的9.95倍。并且Essack等人的进一步观测更新的行星的半径,大约是地球的1.791倍。

有了行星的半径和质量,就可以计算它的密度了。令人惊讶的是,它的密度达到了每立方厘米9.32克。毫无疑问,这个密度远远超过了木星(每立方厘米1.33克)这样的气体行星,可以确定它是岩石行星。不仅如此,它的密度比太阳系密度最大的地球(每立方厘米5.51克)还高得多!

按照以往的理论,这颗行星应该像气体行星一样有比较浓厚的氢氦大气层。但这颗行星距离宿主恒星太近,气体很容易被吹散,所以应该没有这样的大气层。注意,我们说的是没有浓厚的氢氦大气层,不是说它完全没有大气层。实际上,它的表面很可能是一个非常诡异的世界。

研究人员认为,由于距离宿主恒星太近,TOI-1075b的表面应该极其炎热,以至于裸露在地表的岩石都已经融化。换句话说,这颗行星的表面可能流动着岩浆的海洋!并且在高温的作用下,岩浆甚至也会有一部分蒸发到空中,因此它应该有一个大气层,只不过气体的成分取决于行星岩石的组成物质,所以很有可能是硅酸盐和富含金属的恐怖大气层。

也有一种比较小的可能性,它仍然保留着含有氢气、氦气以及二氧化碳的大气,不过这部分大气非常薄。

上面提到的都是天文学家根据目前的数据推测的结果,未来还需要更多的观测加以证明。幸运的是,天文学家现在有工具能够进行这方面的观测,那就是美国宇航局的詹姆斯·韦布太空望远镜。它可以进行光谱分析,帮助我们了解TOI-1075b到底有没有大气层及其成分。

就算没有大气层,这颗行星也不会让我们失望,它有助于天文学家了解这种超级地球是如何失去大气的。