海王星大小的行星在绕恒星运行时奇怪且零星地喷出氢气

距离地球数万亿英里，一颗年轻行星的大气层剧烈而不稳定地脱落，可以让我们难得一睹困扰银河系大多数行星的混乱的早期生命。

达特茅斯研究人员领导的一项新研究发现，一颗名为 AU Mic b 的海王星大小的气态行星表现出一些奇怪的行为——它在绕太阳运行的一个轨道上没有表现出大气层脱落，然后在下一次运行时将其富含氢的大气喷入宇宙-圆形的。

所有具有大气层的行星在绕太阳运行时都会失去一些气体(这一过程称为大气逃逸)，要么像地球一样微妙，要么像 AU Mic b 那样以戏剧性的羽流形式流失。但研究人员在《天文学杂志》上报告说，科学家们以前从未见过大气逃逸在轨道之间停止和开始。

第一作者基斯利·罗克利夫(Keighley Rockcliffe)博士说：“这是我们第一次看到行星的大气逃逸从不可观测到非常非常可观测。” 达特茅斯物理学和天文学候选人。“此外，氢云并不像我们通常看到的那样是行星后面的尾巴，而是像行星绕轨道运行时在行星前面的一股气团。我们通常不认为行星在围绕恒星运行时会喷出氢气。 ”

罗克利夫说：“我们正在直接探索银河系中最常见的行星所经历的基本进化机制。” “我们认为我们的工作捕捉到了这个极其典型过程的早期阶段，我们希望利用我们对这个系统的观察来了解太阳系以外行星最常见的经历。”

这颗行星的直径是地球的四倍多，绕着一颗名为 AU Microscopii 的恒星运行，该恒星距离地球 32 光年(约 192 万亿英里)。从恒星角度来说，AU Microscopii 是一个年轻的 2300 万岁的恒星;我们的太阳大约有 46 亿年的历史。AU Mic b 行星距太阳仅 600 万英里，是水星距太阳距离的十分之一。

尽管体积庞大，AU Mic b 在不到 9 个地球日的时间内完成了完整的轨道运行。NASA 斯皮策太空望远镜和 TESS 太空望远镜的发现发表在2020 年《自然》杂志上。最新的研究基于哈勃太空望远镜的数据。

AU Mic b 及其太阳的年轻年龄和大气行为表明，研究人员已经捕捉到了行星演化的早期阶段，合著者、达特茅斯物理学和天文学助理教授伊丽莎白·牛顿 (Elisabeth Newton ) 说。大多数对地球太阳系外部甚至内部行星的研究都涉及非常古老的世界。

牛顿说，较老的行星已经经历了广泛的演化过程，这使得很难推断整个行星的演化。她说，这就像试图仅通过观察成年人来研究发展心理学。

“这个星球就像观察一个完全普通的幼儿，”牛顿说。“像 AU Mic 这样的系统是我们对更广泛的行星演化过程的洞察。基斯利正在进行非常具有挑战性的观察，而且尝试它们的机会也很有限。”

这颗行星的太阳是一种常见的小型低强度恒星，被称为红矮星。牛顿说，百分之七十的恒星都是红矮星，其中包括距离太阳最近的恒星比邻星。

AU Mic b本身是一种被称为“热海王星”的行星，它的大小与海王星相似，绕其母恒星运行。热海王星的演化被认为广泛适用于银河系中的其他气体行星。罗克利夫说，科学家认为这些行星会迅速燃烧掉其巨大的气态层并演化成较小的行星。只有一颗年轻的热海王星被观测到正在逃逸大气层。

她说：“我试图观察质量的损失，以便了解行星在达到更小、可能更岩石的终点之前是如何发展的。”

像 AU Mic b 这样的年轻行星也为科学家提供了研究年轻恒星动荡的早年的机会。罗克利夫说，这些观测结果可用于微调行星如何演化以及与其恒星环境相互作用的计算机模型。

“一颗 2300 万岁的恒星和一颗 50 亿岁的恒星之间存在着巨大的差异。非常年轻的恒星将会发出大量的耀斑和非常高能的辐射。因为我们观察年轻的行星，我们可以看到这种非常极端但典型的相互作用的发生，并利用我们的观察来看看我们是否正确理解了物理学，”罗克利夫说。

“我越来越相信 AU Mic b 是一个很好的例子，说明一颗行星同时经历了所有这些暴力但典型的过程，”她说。“它可以触及许多不同模型的角落，并确保我们在谈论行星演化时能够制作出最准确的模型。”

随着每一颗新行星的发现，问题都会出现：它会是另一个地球吗?牛顿说，一些岩石行星经历了类似于 AU Mic b 现在经历的早期阶段。但即使没有，红矮星系统目前也是寻找可居住的类地行星的最佳场所。

“像 AU Mic 这样的恒星是地球 2.0 的潜在狩猎场，”牛顿说。“通过了解这个系统，我们可以回答有关围绕红矮星运行的类地行星在其演化早期必须应对什么的问题。”

“我们正在研究的系统与我们的太阳系截然不同。我们无法真正从我们自己的大气质量损失经验中推断出来，”罗克利夫补充道。但是“了解大气层如何演化以及哪些行星将拥有稳定的大气层对于在其他行星上寻找生命非常重要。大气层对于理解生命如何形成和持续至关重要。”

论文《年轻、炎热的海王星 AU Mic b 周围大气逃逸的变量探测》于 2023 年 7 月 27 日发表在《天文学杂志》上。