外巨行星会“膨胀”海王星尺寸行星吗？系统构型依赖的质量-半径关系新发现

本研究针对系外行星系统中海王星尺寸行星的半径膨胀现象，探讨了外巨行星（OG）对内部行星演化的影响。通过分析42颗短周期海王星尺寸行星的观测数据，发现具有外巨行星的系统中内部行星半径平均增大17±4%，揭示了系统构型对行星物理性质的关键作用，为行星形成演化模型提供了新的观测约束。

　　

在系外行星研究领域，行星的质量-半径关系（M-R relation）一直是揭示行星内部结构、成分和演化历史的关键诊断工具。过去的研究主要关注局部环境因素如恒星辐照度和行星组成对行星物理性质的影响，但随着观测数据的积累，越来越多的证据表明行星系统的整体架构可能同样起着重要作用。特别是近年来发现的"豆荚中的豌豆"（peas in a pod）模式——即同一系统中的行星往往具有相似的尺寸和规则轨道间距——暗示了系统架构对行星形成的深远影响。

然而，一个关键问题尚未得到解答：位于系统外侧的巨行星是否会改变内部较小行星的物理特性？尽管径向速度巡天已经开始绘制外巨行星与内部小行星的共存关系，但迄今为止还没有研究直接比较有和无外巨行星系统中内部行星的质量-半径关系。这一知识空白限制了我们对行星系统形成和演化的全面理解。

为了解决这一问题，剑桥大学天体物理小组的Dolev Bashi领导的研究团队开展了一项开创性研究。他们基于NASA系外行星档案馆的最新数据，构建了一个经过严格筛选的均匀样本，包括42颗短周期（P<50天）海王星尺寸（R_p≤6R_⊕）行星，这些行星都具有精确测量的质量和半径。研究团队将这些系统分为两组：7个拥有至少一颗外巨行星（OG系统，定义为M_p>80M_⊕且轨道周期300-10,000天）的系统包含8颗内部行星；28个没有检测到外巨行星的系统（NG系统）包含34颗内部行星。

为了确保结果的可靠性，研究团队采用了多重筛选标准：首先使用盖亚DR3（Gaia DR3）测光数据通过颜色-星等图（CMD）筛选未演化的FGK矮星，排除晚型星、亚巨星和巨星；其次排除已知的多星系统并要求良好的单星天体测量质量（RUWE≤1.4）；还排除了有效温度低于4600 K的宿主恒星，因为这些晚K型和M型矮星很少拥有外木星伴星且会引入不均匀的探测偏差；最后只保留半径和质量测量精度分别优于10%和20%的行星。

研究采用的主要技术方法包括：1）基于盖亚DR3数据的恒星参数均匀化处理，通过颜色-星等图筛选确保样本一致性；2）使用总最小二乘贝叶斯建模方法，同时考虑质量和半径的测量误差；3）通过MCMC采样（emcee算法）进行参数估计和不确定性量化；4）构建同质参数控制集验证结果的稳健性；5）使用统计检验（Mann-Whitney U检验、Kolmogorov-Smirnov检验和Anderson-Darling检验）评估组间差异显著性。

研究结果显示，在质量-半径图上，OG系统和NG系统的内部行星呈现出明显的分布差异。视觉上，OG系统的行星（蓝色方块）倾向于位于NG系统行星（红色圆圈）的上方，表明在相同质量下，拥有外巨行星系统中的内部行星具有更大的半径。统计检验证实了这一趋势：行星密度的KS检验p值为0.0204，AD检验p值为0.0085，表明OG系统中的内部行星可能具有较低的体密度，这与它们在固定质量下半径略微膨胀的观察一致。

通过贝叶斯建模量化这一偏移，研究团队拟合了公式R_i=α+δC_i+βM_i，其中C_i是表示外巨行星存在的二元指标，δ捕获OG系统的平均膨胀效应。结果显示δ=0.068±0.014，对应于平均半径膨胀因子为16.9±3.8%，意味着在相同质量下，OG系统中的内部行星比NG系统中的行星大约17%。这一结果在约4σ水平上显著。

为了验证这一发现的稳健性，研究团队进行了多项检查。首先构建了同质参数控制集，使用盖亚XP光谱导出的统一恒星大气参数重新计算行星参数，发现架构偏移仅从δ=0.068±0.014变为δ_XP=0.053±0.015，仍然保持约3.5σ的显著性，表明参数的不均匀性不是驱动这一人口统计结果的主要原因。其次测试了金属度偏差的影响，因为已知宿主恒星金属度与行星特性相关。通过将样本按[Fe/H]=0分割并估计半径偏移参数δ_[Fe/H]，发现δ_[Fe/H]=-0.012±0.015，与零无统计差异，表明金属度本身不能解释OG-NG的膨胀信号。

在讨论部分，研究者提出了几种可能的物理机制来解释观察到的半径膨胀。流体动力学模拟显示，木星质量的行星可以通过改变盘分散过程来影响内部行星：巨行星打开的间隙并不会完全隔离内盘，而是通过风驱动流部分重新填充，这一过程增强了质量跨间隙传输，使内盘密度更高、持续时间更长。延长对星云气体的访问使近距离亚海王星能够吸积或保留更 substantial 的H/He包层，从而导致行星尺寸膨胀。

另一种有希望的解释是内部行星的挥发性物质富集。在pebble-accretion模型中，一个增长的巨行星核心可以拦截 icy pebbles 的流动，如果它在冰线内形成，就会在其轨道内部释放水蒸气涌流。此外，冷木星可以激发 icy planetesimals，增加水输送，从而即使没有额外的H/He吸积也能降低平均密度。在这些条件下吸积气体的内部亚海王星将包含 significant 的水分（例如蒸汽大气或包层中较高的水分数），使它们在给定质量下密度更低、物理尺寸更大。

巨星的引力影响还可以动态屏蔽内部系统；如果巨行星形成局限于外盘，后续的不稳定性不需要弹出或剥离内部行星。这种"动态屏蔽" scenario 允许存活的内部亚海王星保持它们的大气，而不是因碰撞或早期盘分散而失去它们。

研究也讨论了当前的局限性和未来方向。尽管提出了一些物理解释，但目前的OG子样本（8颗行星）较小，统计能力有限。未来来自ESPRESSO的高精度质量和来自PLATO的半径测量将使OG样本增加一倍以上，从而实现探测完整性的分层处理。此外，行星半径随着内部冷却和大气逃逸而演化数亿年；较年轻的亚海王星系统性地"更蓬松"，而较老的行星会收缩或失去H/He包层。如果OG和NG宿主的年龄不同，那么长期演化可能模拟或掩盖我们报告的半径增强。PLATO任务联盟预计将为许多行星宿主恒星提供10%精度的恒星年龄，从而允许检验这一假设。

该研究最终得出结论：系统架构确实影响行星的基本物理性质。发现外巨行星系统中的内部海王星尺寸行星比无巨行星系统中的同类行星平均大17%，这一架构敏感的质量-半径关系为行星形成打开了新的诊断窗口。如果这一半径增强效应在更大样本中得到证实，将为人口合成模型提供一个严格的基准，这些模型试图重现冷木星和近距离亚海王星交织出现的现象。

这项研究的意义在于首次建立了系统架构与行星物理性质之间的定量联系，将行星研究从单个天体分析推进到系统级理解。它不仅为行星形成理论提供了新的观测约束，也为理解多行星系统的协同演化机制指明了方向。随着未来观测数据的增加和理论模型的完善，这种架构依赖的质量-半径关系可能成为系外行星分类和特征描述的新标准，最终帮助我们更好地理解行星系统的多样性和演化路径。