最近，美國宇航局哈勃和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡對超高溫類木行星的觀測令理論學(xué)家困惑不已。這些行星的光譜表明它們有奇特和不可能的成分。然而，由亞利桑那州立大學(xué)天體物理學(xué)家、亞利桑那州立大學(xué)地球與空間探索學(xué)院助理教授邁克爾·萊恩(Michael Line)組成的一個(gè)研究小組剛剛發(fā)表一項(xiàng)新研究提出了一種解釋：這些富含氣體的行星的組成基本上是正常的，與我們已知行星形成有關(guān)。它們的不同之處在于，它們白天的大氣層看起來更像恒星大氣層，而不是行星大氣層。多年來，對這些類木行星中最熱光譜進(jìn)行解釋一直是研究人員面臨的一個(gè)棘手難題。
這些對超熱木星WASP-121b的模擬圖像顯示，從5個(gè)不同的有利位置看，這顆行星可能是什么樣子，每一個(gè)都被母星照亮了不同程度。這些圖像是用計(jì)算機(jī)模擬得到，用來幫助科學(xué)家了解這些行星的大氣層。超熱木星幾乎不反射光線，很像木炭。然而，它們的白天溫度在3600華氏度到5400華氏度之間，所以它們會發(fā)出像余燼一樣的光芒。因此，這張模擬圖像中的橙色來自于行星自身的熱量。圖片：NASA/JPL-Caltech/Vivien Parmentier/Aix-Marseille University (AMU)
博科園-科學(xué)科普：最令人困惑的是為什么這些星球的大氣中似乎沒有水蒸氣，而在相似但溫度稍低的行星中水蒸氣含量卻很高。根據(jù)這項(xiàng)新研究，超高溫木星確實(shí)擁有水的成分(氫和氧原子)。但是由于地球表面強(qiáng)烈的輻射，那里的溫度高到水分子被完全撕裂。由于超熱木星軌道非常接近恒星，行星的一面永遠(yuǎn)面對著恒星，而夜晚的一面被無盡黑暗所籠罩。白天的溫度達(dá)到3600到5400華氏度(2000到3000攝氏度)，在已知最熱的系外行星中，超熱木星排名第一。
晚上的溫度大約是1800華氏度。在太陽系外不斷增長的行星目錄中（被稱為系外行星）超熱木星作為一個(gè)獨(dú)特的類別已經(jīng)存在了大約十年。法國?？怂柜R賽大學(xué)(Aix Marseille University)的天體物理學(xué)家薇薇恩·帕門提耶(Vivien Parmentier)說：這些行星的表面是火爐，它們看起來更像是恒星大氣，而非行星大氣。
通過這種方式，超熱木星會拉長我們認(rèn)為行星的樣子。雖然像斯皮策和哈勃這樣的望遠(yuǎn)鏡可以收集到一些關(guān)于超熱木星日側(cè)的信息，但是目前的儀器很難探測到它們的日側(cè)。新研究提出了一個(gè)模型來解釋這些行星的光照面和黑暗面可能發(fā)生的變化。這個(gè)模型很大程度上是基于最近發(fā)表的三項(xiàng)研究的觀察和分析，這三項(xiàng)研究由帕門提爾、萊恩等人共同撰寫，主要研究了三種超高溫木星，WASP-103b、WASP-18b和HAT-P-7b。
類木系外行星是99%的氫和氦分子，水和其他分子的含量更少。但它們的光譜顯示的結(jié)果很大程度上取決于溫度。從暖到熱的行星形成礦物質(zhì)云，而溫度較高的行星形成吸收星光的氧化鈦分子。然而，為了了解超熱的木星光譜，研究小組不得不求助于在恒星中更常見的過程。圖片：Michael Line/ASU
這項(xiàng)新研究表明，由加熱驅(qū)動的強(qiáng)風(fēng)可能會把破裂的水分子吹到行星較冷的夜側(cè)半球。在那里，原子可以重新組合成分子并凝結(jié)成云，所有這些都在回到白天被再次撕裂之前發(fā)生。從20世紀(jì)90年代中期開始，熱木星是第一個(gè)被廣泛發(fā)現(xiàn)的系外行星。它們是超熱木星的近親，白天溫度低于3600華氏度(2000攝氏度)。水已經(jīng)被證明在它們的大氣層中是普遍存在的，因此當(dāng)超熱木星開始被發(fā)現(xiàn)時(shí)，天文學(xué)家們希望它們也能在大氣層中顯示出水。但結(jié)果證明，在它們?nèi)菀子^察到的白天，水卻不見了，這使得理論家們開始尋找其他的，甚至是外來成分。
對于超熱木星中為什么沒有水的一個(gè)假設(shè)是，這些行星一定是由高水平的碳而不是氧形成。然而，這種想法并不能解釋在白天與晚上的邊界有時(shí)能發(fā)現(xiàn)水的痕跡。為了打破這一僵局，研究小組從完善的恒星大氣物理模型以及被稱為棕矮星的“失敗恒星”中找到了線索。棕矮星的性質(zhì)與熱木星和超熱木星有些重疊。許多早期的解釋都遺漏了一些關(guān)鍵的物理和化學(xué)現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象正是在超高溫下發(fā)生。研究小組采用了一種由馬克馬利(Mark Marley)開發(fā)的褐矮星模型（馬克馬利是論文的合著者之一，也是美國宇航局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心的研究科學(xué)家）。
將超高溫木星的大氣比作熾熱恒星，而不是傳統(tǒng)意義上較冷的行星，這為斯皮策和哈勃的觀測提供了一種解釋方法。通過這些研究，將從研究恒星的天體物理學(xué)中獲得一些已有百年歷史的知識引入到研究外行星大氣新領(lǐng)域。在這項(xiàng)研究中的作用是獲取這些行星觀測光譜，并仔細(xì)模擬它們的物理結(jié)構(gòu)。這向我們展示了如何利用在極端條件下更有可能存在的氣體來產(chǎn)生觀察到光譜，這些行星不需要外來成分或不尋常的路徑來制造它們。
博科園-科學(xué)科普｜博科園-科學(xué)科普｜參考期刊文獻(xiàn) :《Astronomy and Astrophysics》,《Astronomy & Astrophysics》｜研究/來自：亞利桑那州立大學(xué)，DOI: 10.1051/0004-6361/201833059
博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美
