中山大学系外行星团队在富金属系统中亚海王星与冷木星研究中取得新进展
中山大学系外行星研究团队与国外合作者通过分析凌星观测样本，发现富金属行星系统中，内部存在亚海王星（约2-4倍地球半径的行星）时，冷木星（轨道周期长于1年的类木行星）的出现率显著提升，而超级地球（约1-2倍地球半径的行星）与冷木星出现率的相关性则较弱。这一结果为理解行星系统如何形成与演化提供了新的关键线索。
该成果以Sub-Neptunes Show a Stronger Correlation with Cold Jupiters than Super-Earths Especially in Metal-rich Systems为题于2026年5月8号发表于国际著名天文期刊The Astrophysical Journal Letters（《天体物理学快报》）。中山大学陈迪昌副教授为文章的第一作者和通讯作者，文章的合作作者还包含美国夏威夷大学的戴飞副教授，中山大学的马波副教授、刘尚飞副教授和余聪教授。上述工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、载人航天办公室CSST项目的支持。
自上世纪90年代至今，人类发现的系外行星已超过6000颗，但令人惊讶的是，迄今为止发现的最丰富的行星类型既不是气态巨行星也不是岩石行星，而是我们太阳系中没有的，大小介于地球和海王星之间的行星。大样本的统计研究表明行星出现率在行星大小为两个地球半径附近存在一个低谷，称为“行星半径谷”，将小半径行星分为的致密的“超级地球”与密度较低的“亚海王星”。
为解释“半径谷”的形成机制和亚海王星/超级地球的形成，学界提出了多种理论。一种观点认为，亚海王星最初拥有以氢氦为主的大气层，随后受到恒星辐射或行星内部热量驱动，逐渐失去部分大气，从而形成半径谷。另一种观点则认为，行星半径谷两侧分别对应着成分不同的两类行星：致密石质超级地球和富水/冰的亚海王星（如表面被数百到数千公里的海洋覆盖的“海洋行星”）。不过，目前观测证据仍不足以明确区分这些理论。
而与外围冷木星的相关性可以为限制行星半径谷的起因和亚海王星/超级地球的形成提供新的关键线索，因为冷木星可以深刻影响整个行星系统的形成与演化。前人研究发现，在拥有内侧小半径行星的系统中，冷木星的出现率明显偏高，这一趋势在富金属系统中尤其显著。然而，一个关键问题尚有待解答：位于“半径谷”两侧的超级地球和亚海王星，与冷木星之间是否存在不同的相关性呢？
图1: 富金属凌星系统的轨道结构示意图。超级地球、亚海王星和冷木星分别以绿色、橙色和蓝色表示。其中，超级地球和亚海王星的符号大小与行星的投影截面积成正比，而冷木星的符号大小则对应其行星质量。可以看出，内部存在亚海王星时，外部更容易存在冷木星。
研究团队基于具有长期视向速度后随监测的109凌星行星系统，发现在富金属系统中，内部存在亚海王星时，外部有更大的概率存在冷木星（图1）。研究团队进一步计算了包含内侧亚海王星和内侧超级地球的系统中出现冷木星的条件概率。结果表明内部存在亚海王星时，冷木星出现的条件概率高达约43%，显著高于（置信度达99.95%）冷木星的典型出现率（约15%）；而内部存在超级地球时，这一概率仅约14%，与冷木星的典型出现率相近（图2）。换而言之，亚海王星与冷木星之间存在强正相关性，而超级地球则没有表现出类似趋势。视向速度样本也给出一致结果：在富金属系统中，若存在较大质量的内侧行星（大于10倍地球质量），外侧冷木星存在的条件的概率也明显偏高（置信水平99.11%），表明内侧较大质量行星与外侧冷木星更容易同时出现在同一系统中。
图2: 富金属恒星周围，不同类型凌星行星系统中冷木星条件频率的概率分布函数：亚海王星系统（仅含亚海王星；橙色），超级地球系统（仅含超级地球；绿色）。湖蓝色实线及其阴影区域表示富金属系统中冷行星的典型出现率及其误差。
上述结果为揭示行星形成和演化提供新的关键线索：富金属恒星周围的原行星盘含有更多固体物质，使得行星核心能够更快速地在内外盘同时形成并长大。这不仅促进了内侧区域形成亚海王星，也有利于外侧形成冷木星等气态巨行星。同时，更大质量的核心更容易吸积气体并保留原始的氢氦包层，不易被光蒸发或内部热驱动的大气逃逸剥离，因此更可能停留在“半径谷”之上，而不是变成半径谷下方的超级地球。此外，在富金属环境中，质量较大的亚海王星可以在气体盘消散前更有效地向内迁移，使其进入内行星系统。这种迁移过程也进一步增强内侧亚海王星与外侧冷木星之间的正相关关系。该工作也表明恒星金属丰度在塑造行星系统结构，尤其对大质量行星的形成与分布具有决定性影响。
论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae63c5
陈迪昌副教授简介：https://spa.sysu.edu.cn/zh-hans/teacher/2612