通常，在进化的行星系统中，如太阳系，行星围绕其中心恒星运行稳定的轨道。然而，许多迹象表明，一些行星可能在其早期演化过程中通过向内或向外迁移而离开了它们的诞生地。
这种行星迁移也可能解释一个困扰研究人员多年的现象:大小约为地球两倍的系外行星数量相对较少，被称为半径谷或间隙。相反，有许多比这个尺寸更小或更大的系外行星。
海德堡马克斯普朗克天文研究所(MPIA)的系外行星研究员雷莫·伯恩(Remo Burn)解释说:“六年前，对开普勒太空望远镜数据的重新分析显示，大小约为两个地球半径的系外行星短缺。”他是这篇发表在《自然天文学》上的文章的主要作者。
“事实上，我们和其他研究小组一样，根据我们的计算预测，甚至在这次观察之前，这样的差距一定存在，”合著者Christoph Mordasini解释说，他是国家研究能力中心(NCCR)行星的成员。他是伯尔尼大学空间研究和行星科学系的主任。这一预测起源于他在MPIA担任科学家期间，MPIA与伯尔尼大学多年来一直在共同研究这一领域。
最常见的解释这种半径谷出现的机制是，由于中央恒星的辐射，行星可能失去了一部分原始大气，特别是像氢和氦这样的挥发性气体。“然而，这种解释忽略了行星迁移的影响，”Burn澄清道。
大约40年来，人们已经确定，在某些条件下，随着时间的推移，行星可以通过行星系统向内和向外移动。这种迁移的有效性以及它对行星系统发展的影响程度影响了它对形成半径谷的贡献。
两种不同类型的系外行星居住在间隙周围的大小范围内。一方面，有岩石行星，它们的质量可能比地球大，因此被称为超级地球。另一方面，天文学家越来越多地在遥远的行星系统中发现所谓的亚海王星(也称为迷你海王星)，它们平均比超级地球稍大。
“然而，我们在太阳系中没有这类系外行星，”Burn指出。“这就是为什么即使在今天，我们也不能完全确定它们的结构和组成。”
尽管如此，天文学家普遍认为，这些行星比岩石行星拥有更多的大气层。因此，了解这些亚海王星的特征如何影响半径间隙一直是不确定的。这一差距是否意味着这两种世界的形成方式不同?
漫游的冰行星
日内瓦大学的Julia Venturini总结道:“根据我们已经在2020年发表的模拟，最新的结果表明并证实，相反，亚海王星诞生后的进化对观测到的半径谷有很大的贡献。”她是行星合作组织的成员，并领导了2020年的研究。
在它们诞生地的冰天雪地里，行星几乎没有从恒星那里接收到温暖的辐射，亚海王星的大小确实应该在观测到的分布中缺失。当这些可能是冰的行星向恒星靠近时，冰融化了，最终形成了厚厚的水蒸气大气层。
这个过程导致行星半径向更大的值转变。毕竟，用于测量行星半径的观测无法区分所确定的大小是单独归因于行星的固体部分还是额外的致密大气。
与此同时，正如前面的图片所示，岩石行星通过失去大气层而“缩小”。总的来说，这两种机制都导致了行星体积小于地球半径两倍的缺失。
“伯尔尼-海德堡小组的理论研究已经大大提高了我们对过去行星系统形成和组成的理解，”MPIA主任托马斯·亨宁解释说。“因此，目前的研究是多年共同准备工作和不断改进物理模型的结果。”
最新的结果源于对追踪行星形成和随后演化的物理模型的计算。它们包含了年轻恒星周围的气体和尘埃盘中产生新行星的过程。这些模式包括大气的出现、不同气体的混合和径向迁移。
伯恩解释说:“这项研究的核心是水在行星及其大气内部的压力和温度下的特性。”了解水在大范围压力和温度下的行为对模拟至关重要。这方面的知识直到最近几年才有足够的质量。正是这一成分使我们能够对亚海王星的行为进行现实的计算，从而解释了温暖地区广泛大气的表现。
亨宁补充说:“在这种情况下，分子水平上的物理特性如何影响大规模的天文过程，如行星大气的形成，这是值得注意的。”
Mordasini说:“如果我们把我们的结果扩展到更冷的地区，那里的水是液态的，这可能表明存在有深海的水世界。”“由于它们的大小，这样的行星可能有潜在的生命，并且是寻找生物标志物的相对直接的目标。”
然而，目前的工作只是一个重要的里程碑。虽然模拟的尺寸分布与观测的尺寸分布非常接近，半径间隙也在正确的位置，但在细节上仍然存在一些不一致之处。例如，在计算中，太多的冰行星最终离中心恒星太近。尽管如此，研究人员并不认为这种情况是不利的，而是希望通过这种方式了解更多关于行星迁移的信息。
詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)或正在建设的超大望远镜(ELT)等望远镜的观测也可以提供帮助。他们将能够根据行星的大小确定行星的组成，从而为这里描述的模拟提供一个测试。
参与这项研究的MPIA科学家是Remo Burn和Thomas Henning。
其他研究人员包括Christoph Mordasini(瑞士伯尔尼大学)、Lokesh Mishra(瑞士gen
大学和Unibe)、Jonas Haldemann (Unibe)、Julia Venturini (uniige)和Alexandre Emsenhuber(德国慕尼黑路德维希大学和Unibe)。
美国宇航局开普勒太空望远镜在2009年至2018年期间搜索了其他恒星周围的行星，并在其运行期间发现了数千颗新的系外行星。它利用了凌日法:当一颗行星的轨道倾斜到望远镜的视线范围内时，行星在其轨道上周期性地阻挡部分恒星的光线。恒星亮度的周期性波动使我们能够间接探测到这颗行星，并确定它的半径。
