大小相近，性格迥異

太陽系有八大行星，它們似乎天生就分成了兩大陣營——其一是水星、金星、地球和火星四個擁有固態(tài)表面的“巖質(zhì)行星”，質(zhì)量最大的是地球，半徑約 6380 公里；另一陣營包括木星、土星、天王星和海王星，個頭最小的海王星，質(zhì)量是地球的 17 倍左右，半徑大約是地球的 3.86 倍。在地球與海王星之間，行星個頭出現(xiàn)了“斷層”。

太陽系八大行星尺寸對比（來源：網(wǎng)絡(luò)）

但是，放眼銀河系，這種涇渭分明的分布情況卻顯得“不正常”。迄今人類發(fā)現(xiàn)的 6000 多顆系外行星中，大部分體積介于地球與海王星之間，并未出現(xiàn)“斷層”，只不過形態(tài)上有所差異。于是，天文學(xué)家就以另一種方式劃分兩類：超級地球（Super-Earth）和迷你海王星（Mini-Neptune）。

超級地球是指體積略大于地球，半徑通常不超過地球的兩倍，質(zhì)量為地球的2~10倍，有著固態(tài)表面、密度較大的行星。迷你海王星是指體積更大，包裹著較厚的氣體外層的行星，平均密度明顯偏低。

大小介于地球與海王星之間的“超級地球”和“迷你海王星”示意圖（來源：水兄）

如果將所發(fā)現(xiàn)系外行星的半徑與周期作為兩個主要參數(shù)繪制分布圖，就會發(fā)現(xiàn)，在半徑約1.8至2倍地球半徑附近，系外行星數(shù)量會突然減少，仿佛在超級地球和迷你海王星之間出現(xiàn)了一條鴻溝。它被稱為“系外行星半徑谷”（Radius Valley）。那么，究竟是什么原因造成這兩類行星必須“劃清界限”呢？長期以來，很多天文學(xué)家認(rèn)為，兩者之間可能存在親緣關(guān)系。一種經(jīng)典理論認(rèn)為：年輕的迷你海王星原本包裹著厚厚的大氣，但在靠近恒星后，恒星輻射不斷剝離這些氣體外衣，最終只剩下巖石核心，于是變成了超級地球。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)系外行星的半徑-周期分布圖。圖中橫坐標(biāo)為行星軌道周期，縱坐標(biāo)為行星半徑（地球=1），在地球與海王星之間的藍(lán)點表示“超級地球”，橙色點表示“迷你海王星”，它們中間似乎存在一條界限，被稱為“系外行星半徑谷”。（來源：中國科學(xué)院國家天文臺）

如果真是這樣，那么兩者應(yīng)該擁有相似的成長經(jīng)歷。然而，新研究發(fā)現(xiàn)，它們的軌道卻講述著截然不同的故事。6月12日，一項發(fā)表于《科學(xué)》雜志（Science）的研究，借助中國的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），并結(jié)合蓋亞衛(wèi)星（Gaia）和開普勒空間望遠(yuǎn)鏡（Kepler）的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)“超級地球”與“迷你海王星”在軌道偏心率與周期關(guān)系上遵循截然相反的規(guī)律，為重建它們數(shù)十億年的演化經(jīng)歷提供了新的線索。

軌道形狀揭露身世

研究人員沒有關(guān)注行星的大小、質(zhì)量或密度，而是轉(zhuǎn)向了一個經(jīng)常被忽略的參數(shù)——軌道偏心率。所謂軌道偏心率，可以簡單理解為軌道偏離圓形的程度。偏心率為0時，軌道是完美的圓；偏心率越大，軌道越狹長。地球軌道的偏心率只有0.017，幾乎是一個圓；而哈雷彗星的偏心率高達(dá)0.97，軌道則像一根被拉長的橡皮筋。對于行星科學(xué)家而言，偏心率就像樹木的年輪，不僅僅反映出行星今天的動力學(xué)狀態(tài)，更是記錄了它過去經(jīng)歷過什么。

研究團(tuán)隊從開普勒任務(wù)和NASA系外行星檔案中挑選了 8054 個候選目標(biāo)中，剔除假陽性、雙星干擾、恒星參數(shù)不可靠和信號過弱的目標(biāo)后得到 1104 顆半徑小于 4 倍地球半徑的單凌星行星。經(jīng)過大量分析后發(fā)現(xiàn)，超級地球與迷你海王星的偏心率分布規(guī)律恰好相反。對于超級地球來說，離恒星越遠(yuǎn)，軌道越扁。在軌道周期只有幾天時，平均偏心率僅有約0.04；而當(dāng)軌道周期增加到數(shù)十天甚至上百天時，偏心率能夠上升到0.2左右，增長了數(shù)倍。相反，在迷你海王星中卻出現(xiàn)了完全反過來的現(xiàn)象：軌道周期越長，偏心率反而越低。從統(tǒng)計學(xué)角度看，兩類行星的軌道周期—偏心率關(guān)系不僅方向相反，而且差異達(dá)到約3.7個標(biāo)準(zhǔn)差，已經(jīng)很難用偶然誤差來解釋。

超級地球和迷你海王星的軌道周期-偏心率關(guān)系。（來源：中國科學(xué)院國家天文臺）

這個結(jié)果之所以令人驚訝，是因為它暗示兩類行星可能擁有不同的成長故事。這就好比調(diào)查兩個家族的族譜后發(fā)現(xiàn)：一個家族的人年齡越大越愛冒險，另一個家族卻年齡越大越謹(jǐn)慎。這樣的差異往往意味著他們有著不同的成長環(huán)境和人生經(jīng)歷。

超級地球——被擠出來的溜冰者

超級地球周期越短偏心率越低的規(guī)律比較符合經(jīng)典的潮汐圓化和引力散射理論。潮汐圓化是指擁有巖質(zhì)結(jié)構(gòu)的短周期的超級地球受到恒星潮汐作用較為強烈，軌道被快速拉圓。引力散射是指軌道周期更長的超級地球在經(jīng)歷相互散射后會被激發(fā)到更高偏心率。在年輕的行星系統(tǒng)里，多顆新生行星彼此靠近，強烈的引力擾動會讓它們不斷推擠、拉扯，從而改變原先的軌道。想象一個擁擠的溜冰場，有時人們推推搡搡，有時雖然不會真正撞在一起，卻會在近距離擦肩而過。這樣的“引力推搡”足以改變軌道，使軌道變得更加狹長——當(dāng)行星被引力擾動推到更遠(yuǎn)位置時，行星運行速度就會減慢，軌道就被拉長了。同理，在更靠外側(cè)運行的行星受此影響也會更明顯。

總結(jié)下來就是，距離恒星很近的超級地球（周期僅為幾天），經(jīng)過數(shù)十億年恒星潮汐作用的“打磨”，軌道越來越圓，而較遠(yuǎn)的超級地球的軌道則保留了早期引力散射的“傷痕”。

迷你海王星——安靜的遷徙者

而迷你海王星的軌道周期和偏心率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，即軌道周期越短（越接近母星，偏心率越大），這暗示著它們經(jīng)歷了不同的演化過程。理論認(rèn)為，迷你海王星形成于恒星較遠(yuǎn)的區(qū)域。那里溫度較低，更容易吸積大量氫、氦等氣體，形成厚厚的大氣層。在原行星盤的氣體作用下，它們開始緩慢向內(nèi)遷移。

由于行星之間相隔較遠(yuǎn)，迷你海王星之間沒有“推推搡搡”的相互作用，但是它們依然存在相互間溫柔而安靜的長期攝動。如果從整個系統(tǒng)來看，整體的角動量不變，而軌道周期更短的行星的角動量向軌道周期更長的行星傳遞，結(jié)果就是獲得角動量的（即更遠(yuǎn)的）行星軌道更圓（偏心率更小），丟失角動量的（即更近的）行星軌道更扁。這種機(jī)制有個專業(yè)名詞“角動量赤字均分”（AMD equipartition）。正圓形且與整個行星系統(tǒng)公轉(zhuǎn)基準(zhǔn)平面夾角為0的軌道，AMD為0，軌道越扁，AMD越大，軌道越傾斜，AMD也越大，角動量的差就是角動量赤字。

如果說超級地球是從擁擠的溜冰場被推出來的溜冰者——越往外軌道越扁，那么迷你海王星似乎更像是貢獻(xiàn)出角動量的安靜的遷徙者——越往里軌道越扁。

超級地球與迷你海王星不同的動力學(xué)演化歷史。超級地球的軌道周期-偏心率呈正相關(guān)性，其動力學(xué)演化過程由“行星-行星散射”作用主導(dǎo)。相互之間近距離引力擾動下，軌道周期更長的行星獲得更大的偏心率。迷你海王星的軌道周期-偏心率呈負(fù)相關(guān)性，其動力學(xué)演化過程由“角動量赤字均分”作用主導(dǎo)。由于行星間相距較遠(yuǎn)，在相對“安靜的”長期攝動作用下軌道周期更短的行星的角動量向軌道周期更長的行星傳遞（角動量赤字從外往內(nèi)傳遞），軌道周期更短的迷你海王星獲得更大的偏心率。（來源：中國科學(xué)院國家天文臺）

“詩人”系列研究成果

為了確認(rèn)這兩條相反的關(guān)系不是統(tǒng)計假象，研究團(tuán)隊進(jìn)行了多種檢驗。他們把超級地球與迷你海王星的分界從1.7倍改到2.1倍地球半徑，把迷你海王星的半徑上限從4倍地球半徑放寬到6倍，又改變周期分組方式、提高凌星信噪比門檻、測試單凌星樣本可能造成的觀測偏差等等，結(jié)論都沒有發(fā)生根本變化。

改變“超級地球”和“迷你海王星”大小分界和“迷你海王星”半徑上限得到的軌道周期-偏心率關(guān)系。（來源：Ke-Ting Shin et al. Science 392, 1167 (2026) ）

此外，研究發(fā)現(xiàn)，恒星金屬豐度在演化過程或許也發(fā)揮著某種作用：富含重元素的恒星周圍，行星偏心率往往更高，而短周期行星又更常見于金屬豐度較高的恒星。校正這一因素后，超級地球的正相關(guān)略有增強，迷你海王星的負(fù)相關(guān)有所減弱，但兩類行星之間的差別仍然是顯而易見的。

對開普勒系外行星樣本進(jìn)行金屬豐度修正后的輸出結(jié)果。（來源：Ke-Ting Shin et al. Science 392, 1167 (2026) ）

超級地球與迷你海王星的周期-偏心率關(guān)系一條是向上的趨勢、一條是向下的趨勢，如果你把它們混在一起，這個趨勢兩相“抵消”，便看不清楚了，或許，這能從一定程度上解釋為什么以往沒有發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律。

這項研究是“行星軌道偏心率趨勢”系列之一，該系列的科學(xué)目標(biāo)是構(gòu)建行星軌道偏心率與周期、質(zhì)量、年齡等參數(shù)的完整演化圖譜。它有一個非常好聽的名字——“詩人”（英文全名是Planet Orbital Eccentricity Trends，簡稱POET）。當(dāng)然，這項研究尚不能證明所有超級地球和迷你海王星從誕生時便屬于完全不同的族群。恒星輻射造成的大氣逃逸、行星內(nèi)部冷卻驅(qū)動的質(zhì)量損失，以及早期氣體盤中的遷移，都有可能參與了“半徑谷”的塑造。3五新發(fā)現(xiàn)更謹(jǐn)慎而重要的含義是：揭示了行星尺寸不僅僅是成分的標(biāo)簽，更有可能成為行星演化歷程的探針。半徑是行星身上的“外衣”，偏心率則保存著它們一路走來的腳印。

該研究成果的藝術(shù)海報（來源：中國科學(xué)院國際合作局）

參考資料：

[1] Ke-Ting Shin et al. Super-earths and mini-neptunes follow different orbital period–eccentricity relations. Science, Vol 392, Issue 6803 pp. 1167-1170

[2] LAMOST助力我國天文學(xué)家揭示“超級地球”與“迷你海王星”的迥異演化之謎(https://nao.cas.cn/news/gd/202606/t20260612_8227695.html)