行星系统从形成到演化为成熟结构通常需要数亿年。由于可观测时间窗口有限,天文学界长期以来更多捕捉到行星系统的诞生阶段或成熟状态,而对介于两者之间的过渡期了解相对不足。
近期,天文学家对2020年发现的“青少年”行星系统TOI-2076进行了更为细致的描述,为观察这一过渡阶段提供了新的样本。相关研究以《光蒸发末期的近共振青少年行星系统》为题发表在《自然天文学》上,研究团队结合观测证据与计算机模拟,讨论了行星系统在“宇宙青春期”可能出现的特征,包括原本紧密排列的行星轨道逐步拉开,以及在强恒星辐射作用下行星大气发生持续逸散。

论文作者之一、佛罗里达理工学院助理教授霍华德·陈(Howard Chen)与来自加州理工学院、夏威夷大学、南京大学等机构的研究人员合作,使用计算模型检验:在设定行星初始具有相同岩石与气体比例的前提下,系统能否自然演化到与当前观测一致的状态。陈表示,这一过渡期相对于行星系统的整体寿命较短,但可能对系统最终成熟形态具有关键影响。
观测显示,TOI-2076的四颗行星围绕一颗年轻的K型矮星运行。该恒星年龄约2.1亿年。研究人员利用地面望远镜以及美国国家航空航天局(NASA)凌日系外行星巡天卫星(TESS)任务数据发现,四颗行星的轨道间距接近一致序列,提示它们可能曾更为紧密,目前正缓慢分散。研究还指出,这些行星具有相似的岩石核心,但大气层表现不同:最内侧行星已失去原始气体,而外侧三颗仍保留各自的大气。

研究团队将上述差异与“光蒸发”过程联系起来。根据论文描述,当恒星辐射加热行星大气并促使气体逸散至太空时,会发生光蒸发;距离恒星更近、接受辐射更强的行星更容易失去气体,最终更偏向裸露的岩石核心,而更远处行星则可能保留更多气体。
在模拟结果中,行星可演化至与TOI-2076观测相近的状态。研究据此认为,恒星辐射导致部分行星大气被剥离、而其他行星仍保留气态包层的情形与光蒸发机制相符。模型同时显示,随着气体流失引发的行星质量变化,行星轨道间距会逐步增大。

模拟还给出了系统演化时间线的估计:大部分大气流失可能发生在系统生命的前1亿年内,随后系统趋于稳定,并可在数十亿年尺度上保持相对不变。
研究人员表示,这类处于演化中期的系统样本较为罕见。对TOI-2076的刻画为理解行星系统从早期走向稳定构型的过程提供了关键观测“快照”,也为后续解读更老行星系统的演化历史提供参考。