天文学家发现距地球730光年的裸露的系外行星核心

新发现的系外行星TOI 849 b距地球730光年，为天文学家提供了研究行星内部的独特机会。系外行星是由华威大学（University of Warwick）领导的一个团队发现的，并由伯尔尼大学（University of Bern）的克里斯托夫·莫达西尼（Christoph Mordasini）进行了研究，这是在其恒星轨道上发现的裸露系外行星核心的第一个例子。

天文学家团队已经能够确定行星的许多质量，包括其半径，轨道和表面温度。暴露的核大约是海王星的大小，是地球大小的40倍，并且绕着非常接近类似于太阳的恒星的轨道运行，在许多方面都与太阳类似，仅用18天就完成了一次完整的旅行。

研究人员认为，TOI 849 b最初是气体巨人，其历史上的某些事件剥夺了其外层，主要由氢和氦组成。或者，它可能是由于某些特殊情况而无法完全形成的行星，这意味着这些层（现在已消失）最初并未增长。

研究小组的结果发表在《自然》杂志  上。

一颗系外行星暴露— TOI 849 b揭示了所有

TOI 849b不仅具有作为外行星的外露核心组成的事实，还为研究人员提供了独特的机会来研究以前无法获得的行星及其起源方面。

“这颗行星具有非常不寻常的特性，这是我们在其他系外行星中从未见过的，”莫达西尼解释说，他将对这一发现进行理论解释。“就是说，就其质量而言，它的平均密度很高，约为每立方厘米5.5克，类似于地球。这远远超过了太阳系中巨型行星的平均密度。”

作为比较，莫尔达西尼引用海王星的海王星的平均密度仅为每立方厘米1.6克。这向研究人员表明的事实是，系外行星的氢气和氦气比我们的气体巨人和太阳系外发现的氢气和氦气要少得多。取而代之的是，TOI 849 b似乎是由较重的材料（如铁和岩石）制成的。

莫达西尼说：“如此庞大的身体，如此之低的氢和氦含量是非常不寻常的。” “从某种意义上说，我们不认识其他具有这种特性的行星，这不仅是不寻常的，而且从理论的角度来看也令人惊讶。”

莫达西尼解释说，为什么TOI 849 b的发现可能会挑战公认的行星演化理论：“在形成阶段，当行星仍嵌入其由氢（H）和氦（He）气和尘埃组成的原行星际盘中时，可以在重力作用下结合一些气体。

“行星的质量越大，它的引力就越强，它可以结合的气体就越多。一旦质量超过约10个地球质量，根据理论模型，通常会吸收大量H / He，并形成一个巨大的行星，并且与先前的观测结果也很吻合。”

正如Mordasini指出的那样，TOI 849 b并非如此，尽管它的质量很高，但几乎不含H / He。通常可以发现大小与气体巨人可比的行星离其恒星更远。这种裸露的系外行星存在于研究人员所称的“海王星沙漠”中，该区域靠近恒星，海王星质量以上的行星很少消失。

显然，这颗行星的形成和演化过程完全不同。特殊而罕见的事情发生了。一个人当然想知道那是什么。— Christoph Mordasini博士

TOI 849 b失去了外层吗？

TOI 849 b缺少外层的一种可能解释是，它以某种方式猛烈地从行星上剥离下来。

“有几种可能性可以解释TOI 849 b如何成为这种裸露的核心，可以分为两类，” Modasini解释说。“这个星球曾经有一个更大的H / He包围层，但是它以某种方式丢失了。或地球上没有太多他/他。”

将TOI 849b外层剥离从气体巨人转变为裸露的行星芯可以进一步分为两个不同的子方案。“首先，也许在形成阶段，行星的轨道可能非常偏心。当它通过潮汐与主机状态的交互作用而圆形化时，能量被注入到行星中，从而导致部分或全部气体包裹层弹出。”莫达西尼说。“或者，由于与最初也存在于TOI 849 b系统中的另一个原行星的巨大碰撞或碰撞，气态的包裹可能已经被弹出。”

正是后者的情况，莫尔达西尼基于伯尔尼大学的行星演化模型研究了《自然》杂志。该研究人员及其合作者和合著者亚利桑那大学的博士后研究助理Alexandre Emsenhuber搜集了大量可能的行星形成和演化模型的数据集，以查看是否有任何模拟行星具有与TOI 849 b相似的特性。  

“我们很惊讶地发现，确实如此，模拟确实包含了类似于TOI-849b的行星，但是只有非常低的频率，” Modasini解释说。“我们检查了这些行星是如何形成的。我们发现，这些行星首先像我们通常期望的那样吸收了大量的H / He，但随后又与另一颗原行星相撞。”

这种碰撞将动能释放到不幸的目标行星的气态外壳中，使其发热并膨胀，最终使其脱离行星的核心。

“我们知道这样的机制在模型中是可行的，但是至少在潜在的现实中看到这种机制令人着迷，” Mardasini补充说。“至关重要的方面是，气碟消散后需要发生冲击。否则，核心将重新开始从圆盘中吸出气体，从而导致“正常”的巨型行星。因此，时机至关重要。”

但是那另类的解释呢？那些认为TOI 49b从来没有氢或氦的外层开始？

TOI 849 b出生时没有外层吗？

当然，仅仅因为这是Mordasini从事该研究的模型，并不意味着他已经对其他可能的解释视而不见。

研究人员说：“一个可能的解释是，行星在其轨道周围向气态圆盘刻出了一个间隙，从而抑制了气体的积聚。” “这有点违反直觉，但原行星与周围盘的重力相互作用在某些情况下会导致行星附近的气体消耗，而重力吸引则导致气体堆积在行星附近。就像人们所期望的那样。改变这一点的因素是，行星处于围绕其恒星的近轨道中。”

即使像2021年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜这样的望远镜和先进技术不断发展，而且ESO的超大型太空望远镜都在智利沙漠中建造，研究TOI 849 b这样的天体的机会仍然很少和之间。

“我们已经知道这类物体非常稀有，否则，我们会发现更多的物体，” Mordasini继续说道。“ TOI-849b在于所谓的海王星沙漠中的轨道距离，质量和半径。这是几乎没有行星的空间的一部分-周期少于几天的非常紧密的行星要么是低质量的超地球行星，要么是巨型巨型行星，但不是像TOI-849b这样的中间行星。”

这意味着要获得直接研究行星核心所提供的信息，TOI-849b可能仍然是天文学家唯一可行的选择。Mordasini解释说，他的团队的下一步是观察行星的大气成分，以发现其核心材料。然后，他们将进一步仔细研究不同的提议途径，以了解是否可以排除某些外层损失情况。

“这是一个非常奇怪的星球，”伯尔尼大学研究员得出结论。“通常来说，直接观测无法访问巨型行星的核心，但是可以说，借助TOI-849b，我们可以观察一颗行星的核心！”