热木星

这幅艺术插图展示了一个正在从大气中失去气态镁和气态铁的外星世界。这些观测结果代表着所谓的“重金属”——比氢和氦更重的元素——首次被探测到正从一颗热木星上逃逸出来。这是一颗巨大的气态系外行星，正以非常近的距离绕行其主恒星。这颗被称为WASP-121b的行星围绕着一颗比太阳更亮、更热的恒星运行。这颗行星极其危险地近距离绕行主恒星，以至于高层大气温度高达4600华氏度（约2538摄氏度）。来自寄主星的紫外线洪流正在加热这颗行星的高层大气，导致气态镁和气态铁逃逸到太空中。哈勃太空望远镜成像摄谱仪的观测结果显示出镁元素和铁元素远离这颗行星的光谱特征。这颗行星与其恒星的比肩之距，意味着它正处于被恒星引力潮汐力撕裂的边缘，强大的引力改变了这颗行星的形状，使它看起来更像一只足球。WASP-121系统距离地球约900光年。 资料来源:美国航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)和J.Olmsted(STScI) 一个星球怎么能“热上加热”？答案是因为此时重金属没有凝结成云，而是被探测到从行星大气中逸出。 美国航天局哈勃太空望远镜的观测结果揭露，含有气态镁和气态铁正从这个被称为WASP-121b的奇怪系外世界中涌出。这些观测代表着天文学家首次发现这些所谓的“重金属”——比氢和氦更重的元素——从一颗热木星中逃逸出来，这是一颗巨大的气态系外行星，距离它的恒星非常近。 正常情况下，木星般大小的热行星内部的温度仍然足够低，可以将镁和铁等较重的元素凝结成云。 但WASP-121b并非如此，它与其主星间的咫尺之距使其上层大气温度高达4600华氏度(约2538摄氏度)。WASP-121系统距离地球约900光年。 马里兰州巴尔的摩市约翰•霍普金斯大学的首席研究员David Sing解释说:“以前在其他热木星上也发现过重金属，但只限于低层大气。”“所以你不知道他们是否在逃出大气。在WASP-121b上，我们看到气态镁和气态铁离行星足够远，它们没有被引力束缚。” 由这颗比太阳更亮更热的主恒星发出的紫外线加热了行星高层大气，从而导致了气体逃逸。此外，Sing说，逸出的气态镁和气态铁也可能导致温度飙升。他解释说:“这些金属会令大气在紫外线照射下变得更加不透明，可能使得高层大气升温。” 这颗炙热的行星距离它的主星极其之近，因此它正处于被恒星引力撕裂的边缘。二者比肩之距意味着这颗行星形如足球是引力潮汐力的作用。 我们选择这颗行星是因为它太极端了，”Sing说。“我们认为我们有机会看到更重的元素逃逸。它很热，很容易观察，这是发现重金属存在的最好机会。我们最初主要是在寻找镁元素，但在其他系外行星的大气层中也曾发现过铁元素的痕迹。然而，出乎意料的是，从数据中如此清晰地看到重金属存在于在离行星如此之远且海拔如此之高的地方。重金属正在逃逸，部分原因是由于这颗行星又大又蓬松，所以重力相对较弱。这是一颗正在积极脱离大气层的行星。” 研究人员利用天文台的太空望远镜成像摄谱仪，在紫外线波段寻找WASP-121b行星经过其主星表面或凌日时，主星星光被行星大气过滤后印上的镁和铁的光谱特征。 这颗系外行星也是NASA即将推出的詹姆斯•韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)的完美目标，该望远镜将利用红外线寻找水和二氧化碳，水和二氧化碳可以在更长、更红的波段下被探测到。哈勃望远镜和韦伯望远镜的结合将给天文学家提供一个更完整的行星大气化学组成的元素清单。 对WASP-121b的研究是全色系外行星比较库(PanCET)调查的一部分，该调查用哈勃观测20颗系外行星，大小不等，从超级地球（质量是地球的数倍）到类木行星（质量超过地球100倍），这是首次大规模在紫外线、可见光和红外线波段对这些遥远世界进行的对比研究。 对WASP-121b的观测给行星如何失去其原始大气的发展提供了新的线索。当行星形成时，它们汇聚而成的大气层里包含着行星和恒星诞生时的盘内气体。这些大气主要由原始的、较轻的氢气和氦气组成，它们是宇宙中最丰富的元素。当一颗行星靠近其恒星时，大气就会消散。 “辛说:“这些热木星主要由氢元素构成，而哈勃对氢的探测非常敏锐，所以我们知道这些行星相对容易失去气体。”“但WASP-121b并非如此，氢气和氦气卷挟着这些金属，如同流水般不断溢出。这是一种非常有效的质量损失机制。” 这项研究结果将发表在今天《天文学报》的网站上。 哈勃太空望远镜是美国航天局和欧洲空间局合作的一个国际项目，美国航天局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心负责管理该望远镜，位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃的科学运作。空间望远镜研究所是美国航天局旗下由位于华盛顿特区的大学天文研究联合组织管理运作的。 作者:Claire Andreoli, Donna Weaver / Ray Villard, David Sing 最后更新:8月2日, 2019 编辑:Rob Garner

美国国家航空航天局（NASA）的两架太空望远镜（哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜）共同协作，首次识别出一个大小介于地球和海王星之间的行星的详细化学“指纹”。在太阳系中找不到这样的行星，但它们在其他恒星周围却很常见。 这幅画家笔下的插图展示了系外行星GJ 3470 b理论上的内部结构，它不同于太阳系中发现的任何行星。这颗行星的质量是地球的12.6倍，比地球大，但比海王星小。与距离太阳30亿英里的海王星不同，GJ 3470 b可能是在距离其红矮星非常近的地方形成的一个干燥的岩石天体。然后在引力的作用下，它将氢气和氦气从环恒星盘中吸附过来，形成了一个较厚的大气层。该环恒星盘在数十亿年前就消散了，行星也停止了生长。下方的插图显示了环恒星盘系统很久以前可能的模样。NASA的哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜对GJ 3470 b清澈且厚实的大气的组成进行了化学分析，发现了关于该行星起源的线索。在我们的星系中存在许多这种质量的行星。 版权：NASA、欧洲航天局（ESA）和L. Hustak（太空望远镜科学研究所，Space Telescope Science Institute，缩写为STScI） Gliese 3470 b 行星（也被称为GJ 3470 b），大小介于地球和海王星之间，有一个巨大的岩石内核深埋在氢和氦的高压大气中。该行星的重量等同于地球质量的12.6倍，比地球大，但比海王星小（海王星质量大于地球质量的17倍）。 NASA的开普勒太空望远镜发现了许多类似的星球，该望远镜的任务于2018年结束。事实上，我们星系中80%的行星可能都落在这个质量范围内。然而，研究人员表示，直到现在天文学家才能够了解这样一颗行星的化学性质 通过列出GJ 3470 b大气层含量的清单，天文学家们可以发现关于这颗行星的性质及起源的线索。 加拿大蒙特利尔大学的比约恩•本内克（Björn Benneke）表示：“从行星形成的角度来看，这是一个重大发现。该行星的轨道离恒星非常近，质量远远小于木星（木星质量是地球质量的318倍），但它成功地累积了原始的氢/氦大气，这些大气基本上没有受到较重元素的污染。太阳系里没有这样的天体，而这就是它引人注目之处。” 天文学家利用NASA的哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜的多波长综合能力，对GJ 3470 b的大气层进行了首次研究。 研究通过测量GJ 3470 b行星经过其宿主恒星前方（凌日）时的星光吸收以及行星经过其宿主恒星后方（日食）时的反射光损失来实现。太空望远镜总共观测到12次凌日和20次日食。基于光分析化学指纹的科学被称为“光谱学”。 Benneke表示：“这是我们第一次得到关于这样一个星球的光谱特征。”但他不知道该如何对该星球进行分类，它是应该被称为“超级地球”还是“亚海王星”？或者其他什么名称? 凑巧的是，GJ 3470 b行星的大气层基本是清澈的，只有稀薄的薄雾，这使得科学家们能够对大气层进行深入探测。 [rml_read_more] Benneke说：“我们预计大气层中含有大量较重元素，如氧和碳，它们正在形成丰富的水蒸气和甲烷气体，正如我们在海王星上所发现的那样。相反地，我们实际上发现大气中重元素含量其实非常低，其构成类似于太阳富含氢/氦的构成。” 其他被称为“热木星”（Hot Jupiter）的系外行星被认为是在离其宿主恒星很远的地方形成的，随着时间的推移，它们会逐渐迁移到离宿主恒星更近的地方。但Benneke表示，这颗行星似乎就是在其当今所处位置上形成的。 根据Benneke的说法，最合理的解释是GJ 3470 b诞生于其红矮星附近，该红矮星的质量大约是太阳的一半。他假设，GJ 3470 刚开始的时候本质上是一块干燥的岩石，在其宿主恒星非常年轻的时候从原始的气体盘中迅速地吸收了氢。该圆盘被称为“原行星盘”。 Benneke表示：“我们发现的这个天体能够从原行星盘中吸收氢，但并没有发展成一颗热木星。这是一个非常有趣的体系。” Benneke说：“一种可能的解释是，在行星进一步膨胀之前，该圆盘就已经消散了。因此这颗行星停止生长而成为了一颗亚海王星。” NASA即将发射的詹姆斯•韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将能够探测到GJ 3470 b更深处的大气层，这要归功于詹姆斯•韦伯太空望远镜对红外线的空前敏感度。研究詹姆斯•韦伯太空望远镜上仪器的美国和加拿大团队已经对这一新发现已经产生了极大兴趣。他们将对GJ 3470 b在大气雾霭变得越来越透明的波长下的凌日和日食进行观测。 哈勃太空望远镜是NASA和ESA合作的一个国际项目。NASA位于美国马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理哈勃太空望远镜。位于美国马里兰州巴尔的摩市的太空望远镜科学研究所负责哈勃太空望远镜的科学运作。STScI是由位于华盛顿特区的联合大学天文学研究机构为NASA进行运作。 位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室为位于华盛顿特区的NASA科学任务理事会管理斯皮策太空望远镜任务。位于加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的斯皮策科学中心负责科学运作。太空行动总部设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德•马丁航天航天系统公司。数据存档于加州理工学院红外线过程分析研究中心（IPAC）的红外科学档案馆。加州理工学院为NASA管理喷气推进实验室。 来源：https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/atmosphere-of-mid-size-planet-revealed-by-hubble-and-spitzer