使用恒星-行星系统基本参数刻画低质量系外行星大气逃逸
行星的大气层可能会因为多种原因离开行星进入太空。在其中，上层大气以整体的行为猛烈离开行星的方式被称为行星流体大气逃逸。相对于其他单个粒子的大气逃逸方式，流体逃逸过程要猛烈的多。流体大气逃逸在太阳系行星的早期可能发生，现在已不复存在。然而，人们通过空间和地面望远镜的观测发现流体逃逸在一些离宿主恒星很近的系外行星上一直存在。流体大气逃逸不仅改变了行星的质量，还影响了行星的气候和宜居环境。
近日，一项由中国科学院云南天文台发起的新研究，以《对低质量系外行星流体动力学逃逸的刻画》为题发表在《自然.天文》上，为我们理解发生在低质量系外行星上的流体大气逃逸提供了新的视角。该研究通过对富氢大气的模拟和理论分析，探讨了包括行星内能、恒星极紫外辐射和潮汐力等内外部能源如何影响行星流体大气逃逸。这项研究通过模拟和分析，揭示了影响这些流体大气逃逸的不同驱动机制，并提出了一种新的更准确的分类方法去理解这些逃逸过程。
在这项研究中，完成人郭建恒发现，即使在没有其他外部能量源的情况下，在那些低质量和大半径的行星上，高的行星温度就可以驱动大气逃逸。行星核心放热或者恒星的光学和近红外辐射在较低大气层沉积的热能在很大程度上决定了行星的平衡温度，因此，这一过程要求行星的金斯参数（一个描述行星引力势能与热能之间比例的无量纲参数）小于3.5（图一）。
图一：当金斯参数小于3.5，不需要其他外部能源驱动，大气可以自发逃逸。这类逃逸的发生要求行星的温度足够高或者引力势非常小。
然而，当考虑外部能量驱动过程，比如恒星的极紫外辐射对大气的加热和潮汐力做功驱动的流体逃逸时，金斯参数对此无能为力（图二左）。鉴于此，作者提出了一个考虑潮汐力影响的改进的金斯参数。这个新参数允许研究者更精确地区分外部能源导致大气逃逸的不同物理过程。研究表明，当行星非常靠近主星且改进的金斯参数低于3时，此时行星受到很强的恒星潮汐力，大气逃逸主要由潮汐力驱动；改进的金斯参数在3到6的范围内时，恒星的极紫外辐射和潮汐力都可能触发大气逃逸；而当改进的金斯参数超过6时，恒星的潮汐力不再重要，大气逃逸主要由恒星的极紫外辐射加热驱动（图二右）。
图二：对于金斯参数大于3.5的情况，大气逃逸需要外部能源。宿主恒星的极紫外辐射加热和潮汐力是驱动大气逃逸的能源机制。在图二中，蓝色和绿色的星号表示大气逃逸是潮汐力做功推动的；黑色和绿色的三角形表示大气是宿主恒星的极端紫外辐射加热推动的。左图显示当使用传统的金斯参数时无法区分这两种机制驱动的大气逃逸。通过定义一个改进的金斯参数，恒星极紫外辐射和潮汐力驱动的逃逸能够被很好地区分（右图）。
此外，研究还发现，具有高引力势的行星如果接受的恒星极紫外辐射更弱时，可能经历一种慢的、亚声速的流体大气逃逸，否则行星则以快的、跨声速的流体逃逸为主。最后，上述研究也发现行星的引力势和接收到的主星XUV辐射在很大程度上决定了行星大气的电离度（图三）。
图三：行星大气的电离度和物理参数的关系。黑色的三角表示大气是弱电离的，红色表示大气是强电离状态。空心的三角符号表示大气是快的、跨声速的逃逸。填充的三角符号表示大气逃逸是慢的、亚声速的逃逸。左图说明了电离度和改进金斯参数之间存在相关性。右图进一步显示了电离度和行星引力势之间的强相关性。在右图中，黑色的虚线区分了强电离和弱电离的大气。
上述研究为我们提供了一种仅仅使用恒星-行星系统基本参数就可以简洁地分类流体大气逃逸驱动机制和电离结构的方法，同时该研究的结果可应用于行星演化计算。
这项研究的成果不仅丰富了我们对系外行星大气流体逃逸机制的理解，也为未来的行星大气探测和理论研究提供了重要的参考。
该论文的作者为中国科学院云南天文台郭建恒研究员
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