天文學家已經了解行星系統是如何誕生的，以及它們成熟後的樣貌，但在這之間的青少年階段卻仍然相對隱秘——即行星失去其幼年氣氛，轉變為成年的軌道的過程。現在，科學家們捕捉到了這一過程中的一個例子。在一項新的研究中，研究人員展示了 TOI-2076 的詳細圖像，這是一個約 2 億年的行星系統，似乎正處於其動盪青春期的結束。這一發現提供了罕見的直接證據，顯示年輕行星如何脫去早期的氣氛並向外漂移，擺脫緊密的軌道模式。研究作者指出：「我們的發現提供了直接的觀測證據，表明緊湊行星系統的動力學和氣氛重塑早已開始，並為其長期演化模型提供了實證基礎。」
TOI-2076 繞著一顆相對年輕的 K 矮星運行，這顆恰好有 2 億年的宇宙青少年。這個系統包含四顆行星，每顆行星的大小在地球的 1.4 到 3.5 倍之間。這些行星被稱為亞海王星，這是一種比地球大但比海王星小的行星類型，而這種行星在我們的太陽系中並不存在。行星科學的一個長期挑戰是理解系統誕生與穩定成年配置之間發生了什麼。許多非常年輕的系統（不超過 1 億年）顯示行星被鎖定在精確的軌道節奏中，稱為平均運動共振。在這樣的排列中，行星在穩定的重複模式中相互吸引。然而，大多數成熟系統不再顯示這些緊密的共振鏈。科學家們懷疑隨著時間的推移，有東西會擾亂這些共振，就像我們早期太陽系模型中所描述的重組一樣。直到現在，這一過渡階段的直接觀測證據仍然稀缺。
TOI-2076 顯然正處於這一缺失的中間階段。利用 NASA 的過境系外行星探測衛星（TESS）和地面望遠鏡的數據，研究人員測量了這些行星的大小和軌道周期。他們發現這些行星的間距幾乎呈現出規律的序列，這表明它們曾經是緊密鎖定在共振中的。然而，現在它們僅僅是近共振，並未完全同步。研究作者補充道：「我們展示了它的行星接近但未鎖定在平均運動共振中，這使得系統在動力學上變得脆弱。」簡單來說，這些行星正在緩慢地分開，就像剛剛脫離完美節奏的舞者。
行星的軌道間距只是故事的一部分。研究人員還檢查了行星的氣氛，發現與它們距離恆星的遠近有明顯的模式。雖然這四顆行星的岩石核心質量相近，但它們外層的氣體包裝卻大相徑庭。最內側的行星完全失去了其氫和氦的氣氛，現在基本上是一個裸露的岩石核心。向外的三顆行星分別保留了約 1%、5% 和 5% 的總質量在氫和氦氣體中。這種趨勢簡單而明顯：離恆星越近的行星，其剩餘氣氛越少。這一模式強烈支持一個名為光蒸發的過程。年輕恆星發出強烈的輻射，會加熱行星氣氛的上層。如果加熱足夠強，氣體將逃逸到太空中。離恆星較近的行星接收的輻射更多，失去的氣體也更多。在前幾億年，尤其是在前 1 億年內，這種剝離可以完全移除氣氛，或減少到約 1% 的薄殘留層。較遠的行星因受到較弱的輻射影響，能保留更多的原始氣體包裝。
計算機模擬對確認這一解釋至關重要。研究作者建立了模型，假設這四顆行星最初的岩石與氣體組成相似。隨後，他們模擬了恆星輻射隨時間如何侵蝕這些氣氛。結果與 TOI-2076 的實際觀測結果非常吻合。模型還顯示，隨著行星失去氣體和質量，它們的引力互動會略微改變，這有助於將它們推離精確的共振，並增加它們軌道之間的間距。研究作者之一、佛羅里達理工學院的教授 Howard Chen 表示：「看到模型在現實世界中運作並解釋發生的事情是相當強大的。」
捕捉一個行星系統在這一階段是困難的，因為青春期相對於恆星的數十億年生命週期而言是短暫的。我們觀察到的大多數系統要麼非常年輕，要麼已經穩定下來。TOI-2076 在這些極端之間提供了一個關鍵的橋樑。它提供了直接的觀測證據，表明軌道重塑和氣氛剝離的過程是早期開始並共同展開的。這些發現還為天文學家提供了長期行星演化模型的實證基礎，並有助於解釋緊湊、緊密的系統如何轉變為更穩定的排列。然而，這仍然僅僅是一個系統。科學家們需要研究更多類似年齡的行星系統，以確定這一過程在銀河系中的普遍性。研究人員現在計劃將其更新的模型應用於其他年輕系統，並繼續尋找主動氣氛逃逸的跡象。該研究發表於《自然天文學》期刊上。
