研究發(fā)現(xiàn)：一顆熱木星的全球大氣情況，呈現(xiàn)前所未有的細(xì)節(jié)

天文學(xué)家已經(jīng)在太陽系以外發(fā)現(xiàn)了許多圍繞其他恒星運(yùn)行的行星，這些星球與太陽系的行星非常不同。在系外行星中，有許多是大型的氣態(tài)行星，它們的體積與木星大致相當(dāng)，圍繞其母恒星運(yùn)行一周的時(shí)間僅有數(shù)天。

這些系外氣體巨行星被稱為“熱木星”，它們通常隱沒在母恒星發(fā)出的光芒中，無法被我們直接觀察到。

不過，它們卻是用凌日法最容易探測(cè)到的行星。凌日法是一種間接推斷系外行星存在的方法，當(dāng)一顆行星經(jīng)過母恒星前方(這一過程稱為“凌”)時(shí)，觀測(cè)者會(huì)觀測(cè)到恒星的視覺亮度會(huì)略微下降。

在凌日過程中，天文學(xué)家還可以探測(cè)穿過行星大氣層的星光中的不同氣體，從而測(cè)量其大氣成分。但是，這只能提供該行星某一區(qū)域的情況。

在一項(xiàng)關(guān)于系外行星WASP-121b的新研究中，天文學(xué)家對(duì)一顆熱木星的全球大氣情況進(jìn)行了分析，呈現(xiàn)了前所未有的細(xì)節(jié)。

對(duì)于運(yùn)行軌道非常靠近母恒星的行星，其一面會(huì)永遠(yuǎn)處于白天，另一面則永遠(yuǎn)處于黑夜。

這類行星“晝面”的溫度可以達(dá)到極高，有時(shí)甚至超過了最冷的恒星的溫度，具體情況取決于行星軌道與恒星的距離。天文學(xué)家可以計(jì)算出恒星和行星的總光量，與恒星本身的光量進(jìn)行比較，從而測(cè)量出行星晝面的溫度。

WASP-121b于2015年被超廣角尋找行星(SuperWASP)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。它的白天溫度超過226.85攝氏度。

氣態(tài)巨行星主要由氫分子和氦分子組成，還有少量其他氣體，如水蒸氣。然而，在WASP-121b如此極端的溫度下，分子會(huì)分裂成獨(dú)立的原子，電子甚至可以從原子核中剝離出來，導(dǎo)致與其他行星截然不同的大氣化學(xué)特征。

研究人員思考的一個(gè)重大問題是，對(duì)于像WASP-121b這樣的超高溫行星，其黑暗的“夜面”會(huì)發(fā)生什么?

這一側(cè)沒有任何星光，只能永遠(yuǎn)面對(duì)著冰冷的太空深處。使夜面升溫的唯一方法是通過行星大氣層中的風(fēng)，將晝面的熱量輸送過來。

但研究人員預(yù)計(jì)，對(duì)于最熱的系外氣態(tài)巨行星而言，即使能刮起很強(qiáng)力的風(fēng)，其晝面和夜面之間也會(huì)有巨大的溫度差異，這很可能會(huì)對(duì)大氣中的化學(xué)過程產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

要想知道WASP-121b的夜面究竟發(fā)生了什么，唯一的辦法就是至少在一圈完整軌道上對(duì)該行星及其母恒星進(jìn)行綜合觀測(cè)。當(dāng)行星的不同表面旋轉(zhuǎn)進(jìn)入視野時(shí)，天文學(xué)家就可以測(cè)量來自該系統(tǒng)的不同波長(zhǎng)光線的微小變化。

通過測(cè)量，研究人員得以繪制該行星表面的氣體層，并比較氣體層在白天和黑夜的情況。目前，這種方法只可能適用于少數(shù)幾顆行星，因?yàn)樗褜さ男盘?hào)實(shí)在太小了。

不過，天文學(xué)家對(duì)未來的探測(cè)感到樂觀，利用新近發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)，研究人員將可以更廣泛地應(yīng)用這一方法。

研究團(tuán)隊(duì)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)系外行星WASP-121b進(jìn)行了兩個(gè)完整軌道的觀測(cè)，并對(duì)其大氣層進(jìn)行了測(cè)量。他們通過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的一個(gè)儀器來觀察光譜的近紅外部分，這部分對(duì)該行星大氣層中的水蒸氣十分敏感。

研究人員將軌道每一階段的觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)生成的模型進(jìn)行了比較，以測(cè)量存在的水蒸氣含量，以及此階段大氣中不同高度的溫度。

研究人員發(fā)現(xiàn)，系外行星WASP-121b晝夜之間的溫度相差超過1000攝氏度：夜面大約為1500K(1230攝氏度)，海拔更高的晝面溫度則遠(yuǎn)超過2500K(2230攝氏度)。

這種極端的溫差使得晝面的水蒸氣量少于夜面，因?yàn)闅怏w分子會(huì)在晝面的極端溫度下分解，但當(dāng)空氣移動(dòng)到夜面冷卻時(shí)，分子又會(huì)重新組合。

這意味著WASP-121b具有類似水循環(huán)的特征。不過，在WASP-121b上，水并不像在地球上那樣先凝結(jié)成液體，然后在蒸發(fā)成氣體之前形成云;相反地，該行星的水分子本身會(huì)經(jīng)歷被分解，然后再重新形成的過程。

這并不是說WASP-121b就沒有云。至少在這顆行星的夜面，由于溫度足夠低，足以使礦物質(zhì)(在地球上，礦物質(zhì)通常是固體巖石中發(fā)現(xiàn)的化合物，但在超熱行星的大氣中，已經(jīng)探測(cè)到礦物質(zhì)可以作為氣體存在)會(huì)凝結(jié)并形成云層。

WASP-121b夜面的天空甚至可能布滿了紅寶石或藍(lán)寶石，因?yàn)檠芯咳藛T的測(cè)量結(jié)果顯示，夜面的大氣溫度很適合剛玉(形成寶石的礦物)凝結(jié)成細(xì)小的塵埃顆粒。

觀察系外行星WASP-121b的水循環(huán)有助于證實(shí)研究人員對(duì)極端高溫行星的一些預(yù)測(cè)，也提供了更多的機(jī)會(huì)，使天文學(xué)家能了解大氣層在這些極端條件下的變化。

下一步，研究人員將對(duì)更多的行星進(jìn)行同樣的測(cè)量，并比較所獲得的結(jié)果。也許詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡能夠幫助他們做到這一點(diǎn)，并重復(fù)對(duì)WASP-121b的測(cè)量結(jié)果，以獲得更清晰的圖像。

標(biāo)簽： 系外氣體巨行星 氣態(tài)熱木星 恒星運(yùn)行