就在30年前,科学家还不确定太阳系之外是否存在行星。如今,他们已经探测到5000多颗系外行星。但是在天文学家计算了这些系外行星的尺寸后,却意外地发现它们尺寸之间存在一个间隔:有一些系外行星的半径约为地球的1.4倍——即“超级地球”,另外一些的半径约为地球的2.4倍——即“迷你海王星”,但几乎没有哪一个行星的尺寸介于这二者之间。这似乎表明,绝大多数系外行星的大小都会落在这两个尺寸范围内。
美国莱斯大学的天体物理学家安德列·伊兹多罗(Andre? Izidoro)表示,此前有科学家推测这种半径间隔出现的原因在于,高温会使某些行星收缩。他解释道,随着时间的推移,行星往往会向它们的恒星(恒星温度极高)靠近。如此一来,恒星散发的热量会将包裹在行星外围的气体吹散,从而使原本较轻的行星更快地收缩,相应的,较重的行星具有足够的引力来束缚自己外围的气体,因此可以维持它们的尺寸。
最近,伊兹多罗作为第一作者在《天体物理学杂志快报》(Astrophysical Journal Letters)上发表了一项研究,挑战了以往基于热量的解释。通过建立一个新模型,伊兹多罗和同事提供了一种全新的答案:这种尺寸间隔可能是由行星碰撞导致的。
伊兹多罗表示,他们基于行星系统最有可能遵循的行星形成理论做了计算机模拟:在恒星附近形成的行星通常是岩石行星,在距离恒星较远处形成的行星则往往富含水或冰——在这两类系外行星中,大多数起初都属于尺寸更大的迷你海王星。
随着行星系统变得成熟,以及年轻行星向它们的恒星漂移,这些行星的运行轨道就不再稳定了,它们常常会相撞。伊兹多罗说,当岩石行星碰撞在一起时,它们的总质量会变大。
但它们同时也失去了自己的大气层,所以它们的组合半径趋于减小——这两颗岩石行星就融合成了一颗更加致密的行星。然而当两颗富水行星碰撞时,“因为水的密度较小,所以它们的尺寸不会发生太大变化。也就是说,它们的半径仍然会处在起初尺寸较大的范围内。”而一颗岩石行星和一颗富水行星相撞,通常会形成一颗更大的富水行星——它的尺寸同样位于半径间隔以上的范围内。
英国帝国理工学院的天体物理学家詹姆斯·欧文(James Owen,未参与这项研究)表示,想要使这种碰撞模型成立,行星就不能像此前认为的那样因热量失去那么多质量。另一方面,欧文也指出:“如果你相信此前的质量损失模型,那么你可能会说行星之间的碰撞并没有我们认为的那么频繁。
”欧文认为,为了检验这两种假说,未来可以通过高分辨率空间望远镜来观测迷你海王星的结构:如果这种尺寸范围内的系外行星含有大量的氢气和氦气,那么就支持了质量损失理论;反之,如果其中含有较高比例的水和冰,就支持了碰撞理论。
然而,“这些观测手段并不能完全解答我们的疑惑。”美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的天体物理学家希尔克·施利希廷(Hilke Schlichting,这项研究的共同作者)说道。因为一颗行星的形成需要数百万年的时间,但我们无法实时观测这个过程。因此,“我们需要通过模型研究来了解那些观测数据究竟在告诉我们什么。这些认识或许会促使我们重新思考关于太阳系形成的一切。”