哈勃直接测量超级木星的云顶自转

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2016-02-22 17:07:25 | 作者:gohomeman1 译 | 来源:哈勃官网 | 浏览:3931次 ]

原文标题:Hubble Directly Measures Rotation of Cloudy 'Super-Jupiter'

原文作者:周一帆(音);Donna Weaver,Ray Villard

来自:哈勃官网; 发表时间:2016.2.18

翻译:gohomeman1  审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

2016.2.18:虽然这些年来已经发现了近2000个系外行星,但能被当今世上最强大望远镜直接观测到的,仍只有一小撮。讽刺的是,大部分都是它们在其母恒星前方通过时产生影子而被发现;接着后续测量它们对母恒星微弱的引力扰动,从此泄漏其行踪。现在借助哈勃太空望远镜,天文学家在170光年外直接获得了一颗巨大行星发出的红外光。科学家不但拍摄了图像,还发现它有节奏地闪烁,就像一个陀螺在旋转。对此的解释是,它的表面覆盖着明暗斑驳的巨大云顶,行星自转产生的云层移动导致了亮度改变。由此,行星学家首次通过直接观测,估算了一颗系外行星的自转速度。这个气态巨行星自转一周约需10.7小时,巧合的是,与木星的自转周期基本相等。

哈勃WFC3获得的2M1207系统图像。大图:895KB,版权:NASA,ESO,STScI;研究者团队,下同。

哈勃第三代广域相机(WFC3)的红外通道(IR)直接拍摄的2M1207(左图)和其行星2M1207b(右图,棕矮星被星冕仪遮蔽,第一个发现的行星以小写b表示),成像波段为1.60微米的近红外光,配色红。左图的椭圆是天王星轨道,AU是天文单位,或日地平均距离。该系统位于南天的半人马座,离我们约170光年;天球坐标:赤经12时07分33.47秒,赤纬-39°32' 54.0"。

借助强大的美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的哈勃太空望远镜,天文学家首次通过直接拍摄行星图像、观测其大气亮度变化的方法,测量了一颗系外行星的自转速度。

哈勃研究团队领队、图森市亚利桑那州立大学的Daniel Apai解释道:“观测结果非常鼓舞人心,哈勃的独特技能为我们提供了探索系外行星大气、测量其自转的能力。”

这颗行星编号2M1207b,其质量约为太阳系最大行星——木星的4倍,归属于“超级木星”(super-Jupiter)类。行星本身围绕着一颗暗淡的棕矮星——2M1207旋转。棕矮星是失败的恒星,因质量太小,无法在核心维持连续的核聚变。两者相距远达80亿千米,而作为对比,木星离太阳仅为7.8亿千米。

2M1207系统的模拟图,因为与太阳相距170光年,所以其星座构成与我们看到的明显不同,但是明亮的恒星仍旧可见。大图:3.5MB

插图注:2M1207系统的模拟图,图中标注的恒星,从上到下、从左往右,依次为:双子座β北河三、御夫座α五车二,小犬座α南河三、大犬座α天狼星,太阳、半人马座α南门二(两个带圈的),南鱼座α北落师门,天琴座α织女星,天鹰座α牛郎星(这些亮星当然都有专用名)。右上红色亮星就是棕矮星2M1207。

哈勃图像的极端稳定性、高分辨率、高对比度能力,使得天文学家能够直接测量行星旋转时的明暗变化。研究者把亮度变迁归结于行星表面复杂的云层纹理。哈勃观测不但显示其存在云层,还发现云层是斑驳、上下分层的。

大约10年前,哈勃就发现了这颗大型系外行星。观测显示,行星大气热到足以下硅酸盐的“雨”:汽化的岩石受冷凝结为烟雾粒子大小的微粒落下。在大气深处,液态铁组成的雨滴落下,并最终在底层大气中汽化(恐怖炼狱……)。

研究报告第一作者、亚利桑那州立大学的周一帆(Yifan Zhou)解释说:“因此在大气的高层,它下液态玻璃雨,大气的下层则下液态铁雨,大气平均温度约为1200℃~1400℃。”

这颗超级木星既然这么热,它当然在红外波段很明亮。天文学家使用哈勃第三代广域相机(WFC3)的红外波段,分析这颗行星的红外光变,探测其大气组成、计算它的自转速度。这颗行星之所以这么热,是因为它只有一千万岁, 还在收缩变冷过程中。相比之下,太阳系中的木星已经45亿岁高龄了。

不过,2M1207b不可能长期维持如此高温。在以后的几十亿年中,它将明显地变冷变暗。随着它变冷,硅酸盐云甚至铁蒸汽云将在大气中越来越潜入低层,最终完全消失。

2M1207b的自转引起其红外光变,横坐标小时,纵坐标相对亮度,大图:730KB

周和他的团队还测出这颗超级木星的自转周期约为10.7小时(根据PDF报告,误差﹢1.2、-0.6小时,译注),巧合的是,与木星的自转周期基本相等。

这颗超级木星与其棕矮星的质量比约为1/5~1/7,相比之下,我们太阳的质量约为木星的1000倍。周一帆继续解说:“故此这是非常好的线索,证明我们研究的2M1207系统的形成方式与太阳系差别极大。我们太阳系的行星诞生于环绕原始太阳的吸积盘中。而2M1207和其伴随的超级木星,可能各自形成于独立的盘的引力坍缩。”

Apai总结道:“我们的研究证明,哈勃和它的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST),将能根据接收到的系外行星的光,导出其表面云图。”确实,2M1207b是JWST的理想目标。当NASA的JWST在2018年发射后,其红外观测能力将帮助天文学家更好地探测系外行星的大气组成,并根据哈勃观测发展的新技术,基于亮度变迁绘制其详细云图。

本研究报告将刊登在2016.2.18出版的《天体物理学报》上。

欧洲南方天文台的甚大望远镜,使用自适应光学技术于2005年直接成像的2M1207和2M1207b。为区别,棕矮星配色为蓝,其实所有观测都在近红外波段,大图:115KB

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