两颗系外行星的传奇故事:素颜vs浓妆

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2017-06-06 21:58:51 | 作者:gohomeman1译 | 来源:哈勃官网 | 浏览:1094次 ]

原文标题:Hubble's Tale of Two Exoplanets: Nature vs. Nurture

原文作者:Giovanni Bruno;Ann Jenkins,Ray Villard

来自:哈勃官网; 发表时间:2017.6.5

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

2017.6.5:天文学家曾经想当然地认为,我们太阳系的行星大家庭模式,也是宇宙中其他系外行星的通用模式:靠近母恒星的是地球这样小质量的岩质行星,而外围是木星、土星这样的气态巨行星。然而,就在第一颗系外行星发现之时,宇宙就显出它有点小复杂——事实上完全没有这么简单:有整整一类称为“热木星”的新行星,它们看起来像木星一样形成于寒冷的行星系统外缘,但是它们的驻地改了!它们离母恒星非常近,以致于表面温度至少600℃。

两颗系外行星和母恒星的示意图。大图:40.9MB,版权:NASA、ESA,研究者团队;下同。

天文学家想了解这些热木星的天气情况,就必须梳理出大气组成,这需要分析恒星光透过行星大气时产生的吸收光谱。假如能够发现水分子的特征谱线(在近红外的微米波段),天文学家就能分析得出行星大气肯定通透,能够看到大气的深处(在高层大气中水会被紫外线分解,所以只存在于低层大气中,译注)。

了解遥远异世界的大气,为我们知晓系外行星是如何形成和演化提供了线索。考察一对系外行星姐妹,素面和浓妆(nature versus nurture)会有什么区别?作为一次特殊的观测,天文学家使用美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)合作的哈勃太空望远镜,研究了两颗很相似的热木星。它们有着几乎相同的大小、表面温度,围绕着雷同的恒星(黄矮星),距离也极为相似。研究团队顺理成章的想,它们的大气也应该近似。但是实际情形令人吃惊。

研究团队领队、马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科研所(STScI)的乔瓦尼·布鲁诺(Giovanni Bruno)解释:“我们发现,两个系外行星的大气状态明显不同。HAT-P-38 b(前面的一串字母代表一个巡天项目,b表示发现的第一个行星,译注)的大气层晴空万里,而WASP-67 b却浓云密布。这不是我们预期的,我们不得不弄明白为何不同。”

团队使用哈勃的第三代广域相机(WFC3)测量两颗行星的(近红外吸收)光谱,以确定其大气成分。布鲁诺继续解说:“光谱中的水分子吸收线让我们得以测量大气的云含量。云层越厚,水汽吸收线越不明显。”测量证实,WASP-67 b的高层大气中,云含量明显多(由于大气的高温,此处的云不是地球上的水汽云,看下面)。

Bruno接着说:“这告诉我们,在两颗行星的过往历史上,一定发生过什么,导致了这种差异。”

今天,这两颗行星绕其母恒星——黄矮星的公转周期都只有4.5天,轨道远远小于水星轨道。但在其过往的历史时期,它们应该是从远得多的出生地迁移过来的。

两颗系外行星的吸收光谱对比,纵轴是相对吸收度;横轴是以微米为单位的波长。有水汽吸收的,光谱有明显的下凹上凸。大图:18.3MB

也许两颗行星诞生时环境有所差异,研究报告合作者凯文·斯蒂文森(Kevin Stevenson)分析总结:“你看,裸妆与浓妆就有这么大的差别。现在,它们看起来呈现相同的物理特性;因此,假如它们的起源位置就是当前的测量位置,它们当然应该很相似。事实显然不是这样,看起来它们的形成历史一定在其中起了重要作用。”

气态热木星上的云,与地球上的水汽云完全迥异。事实上,它们可能是碱性的,由硫化钠 Na2S 和氯化钾 KCl 这样的分子组成。这两颗行星的表面温度都超过了700℃。

这么近的系外行星都被潮汐锁定了,永远以一个面朝向母恒星。这意味着行星上的昼夜温差很大:永久朝阳面酷热,永久背阳面很冷(显然低估了大气环流,译注)。与木星上有着多彩多条的云带不同,这两颗行星估计只有一个赤道云带,缓慢地把热量从昼半球带到夜半球(因为潮汐锁定,行星的自转周期=公转周期4.5天,远远慢于木星的0.41天,译注)。

团队才刚起步研究在系外行星的大气云含量中,哪个机制是重要的。要更好的了解这些系外行星的过去,科学家需要借助哈勃和不久将发射的詹姆斯·韦伯红外空间望远镜(JWST)做进一步的观测。

2017.6.5,第230届全美天文学大会在德克萨斯州奥斯汀市召开,团队在大会上公布了上述研究成果。

本周热点

在新窗口打开 实际大小 关闭 鼠标滚轮缩放图片

loading.