風中的告別：
蓬鬆行星上的氫氘離別曲
中央研究院天文及天文物理研究所研究成果發表，日期：2023年9月25日
截至目前為止，數千顆系外行星已經被確認。在其中，天文學家透過「凌星法」（transit），發現了許多繞著類太陽恆星、公轉時間約只有100 天以內的新世界。特別的是，美國太空總署的克卜勒太空望遠鏡及後續的其他觀測，發現了所謂的「半徑谷」（radius valley），即半徑約1.8地球半徑的行星數量較少。這個半徑谷將一大群被稱為次海王星（sub-Neptunes）的蓬鬆氣態行星，與另一大群被稱為超級地球（super-Earths）的小型岩石行星分開（見圖一）。極紫外光的光致蒸發（photoevaporating）造成大氣逃逸一直是解釋半徑谷存在的主要模型之一。在這個演化模型中，大於半徑谷的次海王星可以在數十億年內抵抗大氣逃逸，保留原始以氫為主的大氣；而小於半徑谷的超級地球最初其實也是次海王星，但後來失去了它們的原初大氣，只剩下光禿禿的岩石核心。中央研究院天文及天文物理研究所的辜品高副研究員和佛羅里達理工學院的陳皜教授最近預測，這些在半徑谷附近受到強烈輻射的蓬鬆行星，其以氫為主的大氣中還含有過量的氘（又稱重氫，一種氫的同位素）。
為什麼研究氘豐度對天文學家很重要？ 氘是氫的姊妹，具有一個質子和一個中子，因此原子質量是氫的兩倍。木星和土星的『氘氫豐度比』（簡稱為D/H）與原始太陽星雲值相近（百萬分之二十），與原始太陽星雲中大量氣體吸積形成巨行星的理論一致。地球海洋的 D/H 與碳質球粒隕石相似，與水是由外太空的小行星帶來的理論相符。金星大氣中的 D/H 遠高於地球海洋約 100 倍。之前的研究認為，由於失控的溫室效應，早期的金星海洋迅速蒸發，導致更多的氫流失到太空中，而留下較重的同位素氘，造成金星上的 D/H 比較高。因此，類似的現象也可能發生在這些靠近恆星、比金星遭受更多強烈極紫外光轟擊的次海王星上。由此產生光致蒸發的風將吹走更多的氫，提高其以氫為主的大氣中的 D/H 值。陳皜說明：「D/H 的比值為行星形成和演化提供了重要的線索。」
辜品高和陳皜利用電腦模擬，研究靠近類太陽恆星的次海王星大氣，其中氫、氘和氦的豐度演化。研究小組發現，在數十億年間，一部分較重的氘可以告別行星風中較輕的氫。這種『氫-氘』分餾現象對於半徑谷上緣附近的次海王星來說更為明顯。此預測與之前密西根大學的Isaac Malsky和芝加哥大學的Leslie Rogers團隊的研究，光致蒸發導致大氣逃逸而產生蓬鬆氦行星類似。假設次海王星大氣層中的初始 D/H 值跟原始太陽星雲值一樣，圖二顯示了此研究中沿半徑谷的次海王星 D/H ，與地球海洋、太陽系中的氣態行星和冰行星的比較。辜品高補充說明：「我們之前已經對星際介質、原行星盤、球粒隕石、彗星甚至地球海洋的 D/H 進行了研究，但尚未嘗試量化系外行星大氣中的D/H。這是我們第一次建構一個 D/H 演化模型，將系外行星納入與太陽系行星一起比較。」 與氘相比，更多的氫將從這些蓬鬆行星離開，到黑暗的外太空——這聽起來有點感傷，像是兄弟姐妹的生離死別，不禁讓我們想起最近電影「本日公休」中的主題曲：
我來去 你慢慢走
咱習慣用這樣說再會
你轉頭看我 笑咪咪
有話要講 又嫌多餘
路途再暗再遠也不孤單
圖一：這是從克卜勒太空望遠鏡所發現的行星系統樣本中，根據半徑分佈所繪製的直方圖。這張圖顯示了兩個主要的行星族群（即次海王星和超級地球），它們之間由一個稱為「半徑谷」的區域分隔開來，該區域的行星出現率較低。辜品高和陳皜預測，位於半徑谷上緣的次海王星可能含有更多氘。此圖改編自Fulton et al. 2017。圖片來源：辜品高
圖二：Y軸顯示 D/H 的比值，包含太陽系中氣態巨行星和冰行星（J：木星、S：土星、U：天王星和 N：海王星），以及半徑谷上緣光致蒸發的次海王星之模擬值（紫色圓點）。地球海洋和原始太陽的 D/H 值分別用藍線和灰粗線表示。與由於大氣逃逸而導致的氦增強的行星類似，半徑谷上緣的行星通常在其稀薄的大氣層中表現出最大的 D/H 值。此模擬 D/H 值為下限。圖片來源：辜品高與陳皜
更多資訊：
本篇論文發表於2023年8月22日出版的天文物理期刊快訊（Astrophysical Journal Letters），篇名：Deuterium Escape on Photoevaporating Sub-Neptunes
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中央研究院天文及天文物理研究所 辜品高副研究員
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