解釋熱木星水失蹤之謎

2021-01-19 中科院物理所

過往幾年間，天文學家發現系外行星本身和整個系統都存在難以置信的多樣性。現在，藉助美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡、斯皮策空間紅外望遠鏡，對木星類系外行星的巡天分析，已經解決了一個長期存在的問題——為何那些世界比預想的水少。天文學家發現一些熱木星（離母恆星軌道非常近的行星），看起來晴空萬裡，卻有著強烈的水信號；另外一些同類顯示有雲和霾，實際水信號卻很弱——不過兩者似乎都隱藏有含水的信號。觀測顯示，行星大氣的成分種類遠比想像的多，還讓我們得以洞悉我們銀河系中行星組成及大氣的廣泛性。


本研究的十顆熱木星。大圖：89.7MB，版權：NASA，ESA；研究者團隊，下同。


本案的十顆熱木星，大部分來自WASP巡天，分別編號為WASP-12b，WASP-6b，WASP-31b，WASP-39b，WASP-17b，WASP-19b；HAT-P-12b，HAT-P-1b，HD 189733b，HD 209458b。b代表系統中第一顆發現的行星。

藉助NASA的哈勃（Hubble）太空望遠鏡和斯皮策（Spitzer）紅外空間望遠鏡，一個天文學家團隊完成了對十顆熱木星的觀測分析，並解決了一個長期存在的問題——為何那些世界比預想的水少。觀測結果為我們提供了，洞悉銀河系中行星組成及大氣的廣泛性的新視角。

迄今我們已確認近2000顆系外行星，其中一個子集是熱木星：它們是氣態巨星，與木星大小相似，但軌道非常接近母恆星，使得它們極為熾熱。

極為貼近母恆星使得熱木星淹沒在恆星的強光中，極難觀測。正因為如此，哈勃此前曾觀測過的熱木星數量很少。這些原始研究發現，它們留住的水分數量少於行星大氣模型的預期。


10顆熱木星的吸收光譜，圖中標出了鈉Na、鉀K、水H2O的位置。


一個國際天文學家團隊通過分析迄今最大的系外行星大氣光譜，回答了此問題。所有這些樣本的軌道面與我們的視線平行，因此從地球上看去，熱木星從母恆星的前方經過。這稱為凌星現象，期間部分星光將穿過行星的大氣層。研究報告合作者、馬裡蘭州格林貝爾市NASA戈達德（Goddard）太空飛行中心的Hannah Wakeford解釋說：「大氣組分在星光中留下了獨特的指紋特徵，我們能夠觀測研究它。」

通過結合哈勃和斯皮策的觀測數據，團隊獲得了研究對象的寬廣光譜，從光學波段一直延伸到紅外波段。可見光和紅外光測量獲得的行星半徑差異，被用於區分該行星的大氣是透明的還是遍布霧霾。烏雲密布的行星，其光學半徑看起來大於紅外半徑，因為紅外光能透過更深的大氣。通過該比較，團隊發現了大氣透明度與其含水量的相互關係。

研究報告首席作者、英國埃克斯特（Exeter）大學的大衛·辛（David Sing）繼續說：「當我最終看到如此多的行星光譜數據時，確實有些小激動。這些光譜覆蓋範圍廣，我們首次能夠比較如此多行星的多個特徵。我們發現，行星大氣遠比我們想像的複雜多樣。」

研究報告合作者、加州大學聖克魯茲（Santa Cruz）分校的Jonathan Fortney總結道：「我們的結論很簡單，行星大氣中的雲阻礙我們窺探水的信息，由此我們能區分中真正的乾燥熱木星。當然，還有一種可選方案：熱木星形成於乾燥環境，但這要求我們徹底推翻當前行星如何形成的理論。」


10顆熱木星的水豐度分析，縱軸為1.4微米處的水豐度，紅色代表晴空模型，紫色線為有霾的行星，灰色線代表雲。


研究報告刊登在2014.10.1出版的《天體物理學》期刊上。

對系外行星大氣的研究當前還處於初始階段。哈勃的繼任者——詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，將在紅外領域開啟研究系外行星和它們大氣的新窗口。


原文標題：NASA Space Telescopes Solve Missing Water Mystery in Comprehensive Survey of Exoplanets

原文作者：Mathias Jäger，Whitney Clavin；Hannah Wakeford，David Sing；Tim Stephens，Jonathan Fortney；Ray Villard

來自：哈勃官網

發表時間：2015.12.14

翻譯：gohomeman1

審校：Linq


來源：天之文



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