低密度系外海王星的形成与结构

开普勒望远镜已发现数百颗位于恒星0.5 AU以内、海王星大小（2-6 R_Earth）的行星候选体。由于这些行星的质量尚未测定，其绝大多数性质未知。利用行星形成、演化与结构的理论模型，我们探索了低密度系外海王星最小合理质量的范围。我们聚焦于平衡温度T_eq>=500K的高辐照行星。我们考虑了拥有大量轻气体大气的低质量行星的两条独立形成途径：星核吸积增长和离解冰释氢。我们表明，在T_eq=500K时，质量小至数倍地球质量的海王星大小行星，可通过星核吸积增长与随后的向内迁移合理地形成。我们还推导了具有释氢包层但无地表水的岩石行星的极限低密度质量-半径关系。具有释氢包层的岩石行星的计算半径通常远低于3 R_Earth。对于通过星核吸积增长形成的具有H/He包层的行星和具有释氢包层的行星，我们均采用行星内部模型，绘制了与海王星大小行星半径相符的行星质量—包层质量—平衡温度参数空间范围。大气质量损失决定了该参数空间的哪些角落由实际行星占据，并最终决定了在给定凌星半径下的最小合理质量。我们发现，开普勒望远镜在T_eq=500--1000K的2-6 R_Earth行星候选体，其质量可能低于约4 M_Earth。尽管我们的定量结果依赖于若干假设，但我们的定性发现——即温暖的海王星大小行星的质量可能远小于通过内插太阳系内行星质量和半径所得到的值——是稳健的。