在地球上制造外星大气层
这幅艺术概念图展示的是凯尔特-9b行星，它是“热木星”的一个例子，或者是一颗绕母恒星非常近的气态巨行星。KELT-9b是木星高温的一个极端例子，白天的温度达到7800华氏度(4300摄氏度)。
Credits: NASA/JPL-Caltech
位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国航空航天局喷气推进实验室的研究人员正在研究地球上的外星大气层。在一项新的研究中，喷气推进实验室的科学家使用高温“烤箱”将氢和一氧化碳的混合物加热到超过2000华氏度(1100摄氏度)，大约是熔岩的温度。其目的是模拟一种特殊的系外行星(太阳系外的行星)的大气层中可能存在的条件，这种行星被称为“热木星”。
热木星是一种气态巨行星，它的轨道非常接近母恒星，不像我们太阳系中的任何行星。地球绕太阳公转365天，而热木星绕恒星公转不到10天。它们离恒星很近，这意味着它们的温度可以达到1000到5000华氏度(530到2800摄氏度)甚至更高。相比之下，水星表面的热天(绕太阳一周需要88天)达到约800华氏度(430摄氏度)。
喷气推进实验室的首席科学家Murthy Gudipati说:“虽然我们不可能在实验室里精确模拟这些严酷的外行星环境，但我们可以让它非常接近。”
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研究小组从一种主要由氢气和0.3%一氧化碳组成的简单化学混合物开始。这些分子在宇宙和早期太阳系中极为常见，它们可以合理地组成热木星的大气层。然后研究小组将混合物加热到620到2240华氏度(330到1230摄氏度)。
研究小组还将实验室制造的混合物暴露在高剂量的紫外线辐射下——类似于炎热的木星在如此接近其母恒星的轨道上所经历的情况。紫外线被证明是一种有效成分。这在很大程度上导致了研究中一些更令人惊讶的结果，这些结果可能是在这些温暖的环境中发生的化学反应。
按照行星的标准，热木星很大，它们比冷行星辐射更多的光。这些因素使得天文学家能够比大多数其他类型的系外行星收集更多关于它们大气层的信息。这些观测结果表明，许多高温的木星大气层在高海拔地区是不透明的。虽然云层可以解释这种不透明度，但随着气压的降低，云层的不透明度会变得越来越不稳定，而在气压非常低的地方，人们就可以观察到这种不透明度。
科学家们一直在寻找除了云层之外的其他可能的解释，悬浮微粒(悬浮在大气中的固体颗粒)可能是其中之一。然而，据喷气推进实验室的研究人员说，科学家们以前并不知道气溶胶是如何在炎热的木星大气中形成的。在新的实验中，在热的化学混合物中加入紫外线就成功了。
右边的小蓝宝石圆盘显示的是在高温烤箱内形成的有机气溶胶。左边的是没有被使用的圆盘。
Credits: NASA/JPL-Caltech
“这一结果改变了我们解释那些朦胧炎热的木星大气层的方式，”喷气推进实验室研究科学家、该研究的主要作者本杰明·弗勒里(Benjamin Fleury)说。“未来，我们想研究这些气溶胶的性质。我们想更好地理解它们是如何形成的，它们是如何吸收光线的，以及它们是如何对环境的变化做出反应的。所有这些信息都能帮助天文学家了解他们在观察这些行星时所看到的东西。”
这项研究还带来了另一个惊喜:化学反应产生了大量的二氧化碳和水。虽然在炎热的木星大气中发现了水蒸气，但科学家们大多预计，只有当氧气多于碳时，这种珍贵的分子才会形成。新的研究表明，当碳和氧的含量相等时，水就会形成。(一氧化碳含有一个碳原子和一个氧原子。)当一些二氧化碳(一个碳原子和两个氧原子)在没有加入紫外线辐射的情况下形成时，反应随着模拟星光的加入而加速。
“这些新发现对于解释我们在木星大气层中所看到的情况非常有用，”喷气推进实验室系外行星科学家、该研究的合著者马克·斯温(Mark Swain)说。“我们假设温度主导了这些大气中的化学成分，但这表明我们需要研究辐射是如何发挥作用的。”
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)等新一代工具将于2021年发射，科学家们可能会首次获得系外行星大气的详细化学特征，其中一些首批研究对象可能是热木星。这些研究将帮助科学家了解其他太阳系是如何形成的，以及它们与我们的太阳系有哪些相似或不同。
对于喷气推进实验室的研究人员来说，这项工作才刚刚开始。与普通烤箱不同的是，他们的烤箱将气体密封得很紧，以防止泄漏或污染，而且当温度上升时，研究人员可以控制气体的压力。有了这种硬件，他们现在可以在更高的温度下模拟系外行星的大气层:接近3000华氏度(1600摄氏度)。
喷气推进实验室的科学家们用“烤箱”(中央)加热氢气和一氧化碳的混合物，并将其置于氢气放电灯产生的紫外线辐射下。这种灯发出可见光(粉色辉光)和紫外光，紫外光通过右边的一扇窗户进入烤箱内的气体容器。
Credits: NASA/JPL-Caltech
喷气推进实验室的科学家、该研究报告的合著者之一布莱恩·亨德森说:“如何成功地设计和操作该系统一直是一个持续的挑战，因为大多数标准组件，如玻璃或铝，都是在这种温度下熔化的。我们仍在学习如何在实验室安全处理这些化学过程的同时突破这些界限。但归根结底，这些实验令人兴奋的结果值得所有额外的努力。”