在研究開普勒太空望遠鏡的數據時，Flatiron研究所的研究人員發現，數十億年來行星的縮小可能解釋了一個長達一年的謎團：約為地球兩倍大小的行星的稀缺性。雖然尋找系外行星的任務已經發現了數以千計的圍繞遙遠恆星運行的世界，但嚴重缺乏半徑為地球1.5至2倍的系外行星。這是介於岩質超級地球和被稱為迷你海王星的較大的氣體籠罩的行星之間的中間地帶。自從2017年發現這個“半徑差距”以來，科學家們一直在調查為什麼中等大小的天體如此之少。

新的線索產生於一種看待數據的新方法。由Flatiron研究所的Trevor David領導的一個研究小組調查了“半徑差距”是否會隨著行星的老化而改變。他們將系外行星分為兩組–年輕的和年老的–並重新評估了差距。他們發現，年輕組中最不常見的行星半徑平均比年長組中最不常見的行星小。雖然年輕的行星最稀少的尺寸大約是地球半徑的1.6倍，但在較老的年齡段，它大約是地球半徑的1.8倍。

研究人員提出，這意味著一些迷你海王星在幾十億年的時間裡急劇縮小，因為它們的大氣層已經消失，只留下了一個固體核心。由於失去了氣體，這些迷你海王星”跳過”了行星半徑的差距，成為超級地球。隨著時間的推移，半徑差距會隨著越來越大的迷你海王星的跳躍而發生變化，變成越來越大的“超級地球”。換句話說，這個差距是最大尺寸的“超級地球”和最小尺寸的迷你海王星之間的鴻溝，這些迷你海王星仍然可以保留其大氣層。研究人員於2021年5月14日在《天文學雜誌》上報告了他們的發現。

來自紐約市Flatiron研究所計算天體物理學中心（CCA）的研究員David說：“首要的一點是，行星不是我們有時傾向於認為的岩石和氣體的靜態球體。在以前提出的一些大氣層損失模型中，其中一些行星在其生命之初要大10倍。”

這些發現使以前提出的兩個疑點得到了證實：行星形成時留下的熱量和宿主恆星的強烈輻射。這兩種現像都會在行星的大氣層中增加能量，導致氣體逃逸到太空。”David說：“可能這兩種效應都很重要，但我們需要更複雜的模型來說明它們各自的貢獻有多大以及何時在行星的生命週期中。”

該論文的共同作者包括CCA研究員Gabriella Contardo、CCA副研究科學家Ruth Angus、CCA副研究科學家Megan Be DELL、CCA副研究科學家Daniel Foreman-Macey和CCA客座研究員Samuel Grunblatt。

這項新研究使用了開普勒航天器收集的數據，該航天器測量來自遙遠恆星的光線。當一顆系外行星在一顆恆星和地球之間移動時，來自恆星的觀測光線會變暗。通過分析該行星繞其恆星運行的速度、恆星的大小以及變暗的程度，天文學家可以估計系外行星的大小。這些分析最終導致了“半徑差距”的發現。

科學家們之前提出了一些潛在的缺口產生機制，每個過程都發生在不同的時間尺度上。一些人認為，差距發生在行星形成過程中，當時一些行星的形成沒有足夠的附近氣體來膨大其體積。在這種情況下，行星的半徑，因此也就是半徑缺口，會在誕生時就被印證了。另一個假設是，與太空岩石的碰撞可能會炸掉行星的厚重大氣層，阻止較小的行星積累大量的氣體。這種撞擊機制大約需要1000萬到1億年。

其他潛在的機制需要更多的時間。一個建議是，來自行星宿主星的強烈X射線和紫外線輻射會隨著時間的推移將氣體剝​​離。這個過程被稱為光致蒸發(photoevaporation)，對大多數行星來說需要不到1億年的時間，但對某些行星來說可能需要數十億年。另一個建議是，行星形成時的殘餘熱量會慢慢地將能量添加到行星的大氣層中，導致氣體在數十億年的時間裡逃到太空中。

David和他的同事們通過仔細觀察缺口本身開始了他們的調查。測量恆星和系外行星的大小是很棘手的，所以他們清理了數據，只包括那些直徑被確信為已知的行星。這種數據處理揭示了一個比以前認為的更大的差距。然後，研究人員根據這些行星是否比20億年前年輕或年長進行了分類。由於一顆恆星和它的行星是同時形成的，他們根據恆星的年齡來確定每顆行星的年齡。

研究結果表明，較小的迷你海王星無法保持其氣體的存在。經過數十億年的時間，氣體被剝離，留下了一個大部分是固體的“超級地球”。這一過程對於較大的迷你海王星來說需要更長的時間，但不會影響到最巨大的氣態巨行星，它們的引力足以保持其大氣層。

“半徑差距”經過數十億年的演變這一事實表明，罪魁禍首不是行星碰撞或行星形成的固有特徵。David說，來自行星內部的殘餘熱量逐漸剝離大氣層是一個很好的契機，但是來自母星的強烈輻射也可能起到作用，特別是在早期。下一步是科學家們更好地模擬行星如何演化，以確定哪種解釋發揮了更大的作用。這可能意味著考慮額外的複雜性，如新生大氣層和行星磁場或岩漿海洋之間的相互作用。