虛胖熱木星大氣中的鹼金屬原子

2021-01-19 行星科學

      中國科學院紫金山天文臺、中國科學院行星科學重點實驗室陳果副研究員與西班牙加納利天體物理研究所、劍橋大學的合作者，通過觀測太陽系外熱木星WASP-21b的凌星現象，獲取了其大氣的透射光譜，探測到該熱木星大氣中位於不同高度上的鈉原子吸收特徵，為研究其大氣結構和動力學狀態提供了觀測依據。


自25年前在太陽系外發現第一顆繞類太陽恆星公轉的行星以來，系外行星的數目已經超過四千，大量迥異於太陽系的系外行星系統被發現，引發人們不禁思考：這些行星系統如何形成？與太陽系行星有何異同？太陽系在宇宙中是否是獨特的？其中，熱木星是一類離宿主恆星比水星到太陽距離的四分之一還近的、類似於木星的氣態巨行星，基本處於潮汐鎖定狀態，朝向恆星的半球受到強烈照射，溫度通常超過1000K，有的甚至達到3000K以上。熱木星因公轉周期短、尺寸較大、溫度較高，是研究大氣化學組成、溫度結構和物理過程的極佳對象，甚至有可能為研究行星形成演化提供線索。然而，近年來的研究發現，雲霾在熱木星大氣中廣泛存在，並嚴重影響了人們對熱木星大氣特性的反演。尋找雲霾影響較小的熱木星，將有助於更加細緻全面的大氣刻畫。

圖1. 熱木星WASP-21b的低解析度透射光譜。帶誤差棒的藍點為實測數據，紅線及陰影區域為光譜反演得到的最佳模型分布。

研究人員使用位於西班牙的10.4米大加納利望遠鏡觀測了一顆名為WASP-21b的熱木星的凌星現象。該行星系統位於飛馬座，距離地球約850光年。該熱木星的平衡溫度約1300K，半徑是木星的1.2倍，質量只有土星的0.9倍，密度較低。在凌星期間，穿透行星大氣的恆星光會疊加上來自行星大氣組分的額外吸收。在沒有雲霾遮擋的情況下，恆星光有可能穿透更深層的大氣，部分原子的吸收線將會在線翼上留下壓力致寬的印記。基於在光學波段觀測獲取的低解析度透射光譜（見圖1），研究人員發現WASP-21b的大氣中含有鈉原子，並發現鈉原子吸收線的線翼呈現了明顯的壓力致寬特徵，表明該熱木星的大氣中有顯著的無雲霾區域。

圖2. 熱木星WASP-21b的高解析度透射譜。灰線為實測數據，帶誤差棒的黑點為降採樣後的數據，紅線為模型。其中，成功探測到的是鈉原子共振雙線，作為對比，右側的氫原子H-alpha線未被探測到。


研究人員進一步使用同樣位於西班牙的3.6米伽利略國家望遠鏡觀測了這顆熱木星，獲取了它的高解析度透射光譜（見圖2），從而能夠細緻刻畫原子或者分子近線心的吸收線輪廓。線心來自較高層大氣，能夠為高層大氣的加熱冷卻、逃逸、動力學狀態等研究提供線索。研究人員成功分辨出鈉原子共振雙線，並且測量了它們的視向速度（見圖3）。他們發現，鈉雙線的額外吸收只在凌星期間有恆星星光穿透行星大氣時出現，並且其視向速度的變化與行星軌道吻合，確認了該信號來源於行星大氣，並揭示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。


圖3. 鈉雙線示蹤的視向速度變化。其中，橫向虛線標記的是凌星起止時間，斜向點線標記的是行星軌道的視向速度變化。


WASP-21b是繼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，預期將會成為重要的系外行星大氣研究對象。


       上述研究成果近期發表於國際權威學術期刊Astronomy & Astrophysics，論文第一作者和通訊作者為中國科學院紫金山天文臺陳果副研究員。該成果獲得了中科院戰略性先導科技專項（XDB41000000）、江蘇省自然科學基金（BK20190110）、紫金山天文臺小行星基金會等支持。


論文信息：Chen, G., Casasayas-Barris, N., Palle, E., Welbanks, L., Madhusudhan, N., Luque, R., & Murgas, F., 2020, A&A, 642, A54.

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038661（點擊下方閱讀原文）

 


作者：陳果

編輯：李婧

審核：李陽


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