成分梯度对巨行星半径的影响

巨行星的半径是一个关键物理属性。它综合了其质量、成分和热状态的结果，是连接观测与行星内部理论的关键纽带。传统内部模型假设存在截然不同的核-包层结构，但最近对木星和土星的重力测量揭示了具有深层成分梯度的复杂内部结构。在此，我们将解析框架与数值演化模拟相结合，以阐明具有成分梯度的内部结构如何影响行星半径。我们证明，重元素的空间重分布本身并不改变行星大小；相反，是随时间推移产生的总熵差异驱动了可观测的半径变化。我们表明，这一机制自然地确立了两种不同的演化状态。在演化最初的几十亿年间，成分梯度将热能困在内部深处，显著影响行星演化和内部结构。然而，随着行星冷却和收缩，这种“热记忆”逐渐消退，总熵不再依赖于原始条件。因此，行星半径与重元素的内部分布解耦，成为总质量和体成分的函数。我们的结果展示了质量-半径-成分关系的物理起源，并表明对巨系外行星使用简化的内部模型仅在行星越过这一演化阈值后才合理。我们的分析确立了行星结构的热力学约束：尽管成分梯度可以暂时调节冷却，但它们无法永久维持半径膨胀，因为重元素的加入无论其分布如何，都不可避免地导致行星收缩。