一次巨型撞击可以挽救行星的大气

测量小型系外行星的大小，它们会分成两组：一个峰值在约1.3倍地球半径处，另一个在约2.4倍处，中间在1.75处有一个低谷。小的那些被认为是裸露的岩质行星——超级地球。大的那些，即亚海王星，则应是仍被富含氢的原始大气包裹着的岩质行星。所以，一些行星一定失去了大量的氢。但究竟是哪些行星，又是如何失去的？

惯常的嫌疑对象

与地球一样大或更大的岩质行星，预计在形成末期会经历一次或多次巨型撞击，其中一些发生在年轻恒星周围的气体盘消散之后。对这两组行星的一个流行解释把原因归咎于这些晚期撞击：冲击加热行星的地幔，灼热的表面驱使气体逃逸，一颗拥有大气的行星就此变成超级地球。

上海交通大学的 Darius Modirrousta-Galian 和耶鲁大学的 Jun Korenaga 认为，这一图景漏掉了账本的一半。他们的研究已被《自然·天文学》（Nature Astronomy）期刊接收。

账本的另一面

一次碰撞不只是加热行星。它还会增加质量，而所有这些质量都会加深束缚大气的引力势阱。与此同时，撞击能量中只有一部分真正加热了地幔：

• 撞击体的金属核穿过地幔向下坠落，途中释放的能量很少，最终停留在深处，依然处于过热状态；
• 熔化的岩石以潜热的形式吸收能量，而不升高温度；
• 到达表面的热量在大气高层就被衰减。控制逃逸的那些大气层的温度由恒星的光决定，而不是由下方炽热的地面决定。

对于一颗金属核占其质量30%的行星，约**84%**的撞击能量进入地幔，这与详细的碰撞模拟一致。被撞击体直接撕走的气体很少；冲击波通常带走约10%到20%的大气。作者发现，总体而言，行星引力束缚的增强超过了其地幔的升温：撞击之后，大气被束缚得比之前更牢。

一亿颗行星

为了在整个族群上检验这一点，该团队模拟了1亿颗行星，其质量、温度、金属核和大气都具有符合实际的分布。在每一轮模拟中，每颗行星在气体盘消失后遭遇一次巨型撞击的概率为52%、63%或74%（视该轮而定；这些数值取自行星形成的模拟），撞击体最多可达最终质量的一半。随后，模型在50亿年间追踪熔融地幔的冷却和大气的逸散。

对于所测试的每一种撞击方案，结果都再现了观测到的两个峰值：约1.3和2.4倍地球半径，中间在1.75处有低谷。两组对照模拟说明了原因。如果完全没有晚期撞击，最终裸露的行星太多。如果每颗行星都遭遇一次撞击，保留氢的行星又太多。撞击通过把行星推过一个质量阈值来设定这种平衡，超过这个阈值，氢就会留住。

撞击越大，大气越安全

失去全部大气的概率随着行星初始质量和撞击体所占份额的增加而下降。作者拟合出一条简单曲线，给出只有1%的行星失去全部大气时的撞击体份额：χ = 0.58 − 0.0188 (M/M⊕)^1.794，其中χ是撞击体质量除以最终质量，M是以地球质量为单位的初始质量。对于一颗初始质量为5倍地球质量的行星，这对应于约为最终质量四分之一的撞击体；在曲线上方，行星几乎总能保留其原始大气。

亚海王星有更重的“心脏”

如果撞击帮助行星留住氢，那么亚海王星很可能经历了更多次碰撞才长大，并拥有比超级地球更重的岩质内部。已测量的行星已经指向这一方向：亚海王星的质量大于约4到5倍地球质量，超级地球则小于这个值。作者列出了可以检验这一想法的设备——JWST、Ariel 和 Twinkle 将在较大行星的大气中搜寻氢，PLATO 和 JUST 将称量它们的质量，南希·格雷斯·罗曼空间望远镜则将观测更小、更遥远的世界。