研究人員在熱木星大氣中發現多種組分

2020-11-18 光明網

熱木星是一類在太陽系中無對應體的系外行星，其質量和木星差不多甚至更小，半徑通常比木星大。由於離宿主恆星的距離不到水星與太陽距離的四分之一，基本上處於潮汐鎖定狀態，這類系外行星的向陽面受到高強度的恆星輻照，溫度通常超過1000 K，有的甚至能夠達到小質量恆星的溫度。熱木星尺寸大、溫度高，能夠形成幅度顯著的光譜特徵，有利於開展行星大氣化學組成、溫度結構和動力學特徵的觀測研究。這類行星如何形成以及是否能夠為行星形成演化提供更普遍的線索，是亟待回答的重要科學問題。近年來的研究發現，雲霾在熱木星大氣中廣泛存在，影響科研人員對熱木星大氣特性的反演。尋找雲霾影響較小的熱木星，將有助於更細緻全面的刻畫大氣。

近期，中國科學院紫金山天文臺副研究員陳果與西班牙加納利天體物理研究所等合作，在搜尋證認熱木星大氣組分的觀測研究中取得進展。研究人員開展了兩項工作，分別研究熱木星WASP-52b和熱木星WASP-21b。兩個行星系統均位於飛馬座，其與地球的距離分別約為570光年（WASP-52）和850光年（WASP-21）。兩顆熱木星的平衡溫度均在1300 K左右，屬於經典熱木星，區別於平衡溫度一般在2000 K以上的超高溫熱木星。WASP-52b略大一些，其半徑和質量分別是木星的1.25倍和0.43倍，已有研究顯示其大氣存在於高空雲層；WASP-21b更像是一個虛胖的土星，其半徑和質量分別是木星的1.16倍和0.28倍，對該熱木星大氣組分的研究屬國際首次。

研究人員使用位於智利的8.2米口徑甚大望遠鏡的超穩定高解析度光譜儀ESPRESSO，觀測WASP-52b的凌星現象。凌星期間，穿透行星大氣的恆星光疊加來自行星大氣組分的額外吸收。研究人員通過分析透射光譜，發現在589納米附近的鈉共振雙線、770納米附近的鉀線在行星凌星時產生了額外吸收特徵；該額外吸收光譜特徵的視向速度是變化的，與行星公轉軌道產生的視向速度變化高度吻合，由此確認了行星大氣中存在鈉、鉀原子。此外，研究還發現行星大氣中的氫原子在656納米附近的H-alpha線也產生了額外吸收，這是學界首次在經典熱木星的大氣中測得H-alpha線的視向速度變化，其產生機制與超高溫熱木星不同，可能與恆星活動的激發相關。因此，WASP-52b將成為研究熱木星高層大氣加熱冷卻過程的合適對象。

研究人員使用位於西班牙的10.4米口徑大加納利望遠鏡和3.6米口徑伽利略國家望遠鏡，觀測WASP-21b的凌星現象，前者使用的是低解析度光譜設備OSIRIS，後者使用的是高解析度光譜設備HARPS-N，低解析度透射光譜對於確定行星的參考半徑和限定大氣的參考壓強具有重要意義。研究發現，WASP-21b的低解析度透射光譜在鈉原子吸收線線翼有明顯的壓力致寬特徵。鹼金屬原子的壓力致寬線翼是晴空存在的標誌，表明凌星時恆星光曾穿透壓強較高的較深層行星大氣，意味著WASP-21b的大氣有顯著無雲霾區域。研究人員利用高解析度透射光譜，分辨出鈉原子共振雙線的近線心譜線輪廓，測量了線心視向速度的變化，確認對應信號來自行星大氣，揭示其高層大氣可能存在從陽面吹向夜面、大約1.6公裡每秒的行星風。WASP-21b是自WASP-96b、WASP-127b、XO-2b之後第4顆呈現顯著壓力致寬特徵的熱木星，是首顆通過視向速度變化確認壓力致寬示蹤原子的熱木星，預期將成為系外行星大氣研究的重要對象。

相關研究成果發表在《天文與天體物理》（Astronomy & Astrophysics）上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、江蘇省自然科學基金、紫金山天文臺小行星基金會和中科院行星科學重點實驗室等的支持。

圖1.兩顆熱木星與木星和地球的尺寸對比示意圖

圖2.（a）熱木星WASP-52b的高解析度透射光譜。（b）鈉線、氫線、鉀線的視向速度變化，斜點線顯示的是行星軌道的視向速度變化，水平虛線標記了凌星時段（Chen et al. 2020a)

圖3.（a）熱木星WASP-21b的低解析度透射光譜。（b）聚焦於鈉共振雙線和氫H-alpha線的高解析度透射光譜。（c）鈉線和氫線的視向速度變化，注意氫線並未探測到（Chen et al. 2020b）

來源：中國科學院紫金山天文臺

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來源： 中科院之聲

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