天文学家为被称为热木星的系外行星提供了实地指南


这幅艺术家的作品展示了一颗炽热的木星行星,它在距离地球2500到3000光年的巨蟹座梅西耶67的一颗恒星附近运行。信贷ESO / L。Calcada

由于一项将理论建模与哈勃太空望远镜观测相结合的新研究,热木星——在极其紧密的轨道上围绕其宿主恒星运行的巨型气体行星——已经变得不那么神秘了。

虽然之前的研究主要集中在被归类为“热木星”的单个星球上,因为它们与我们自己的太阳系中的气态巨行星表面相似,但这项新研究首次着眼于更广泛的奇怪星球。这项由亚利桑那大学研究人员领导的研究发表在《自然天文学》杂志上,为天文学家提供了一份关于热木星的前所未有的“实地指南”,并提供了对行星形成的总体见解。

虽然天文学家认为只有大约10明星主持人热木星的行星类,奇特的行星构成了相当大的一部分迄今为止发现的系外行星,因为他们是更大和更光明的,比其他类型的系外行星,如岩石,更多的类似地球的行星或更小,冷却气体行星。所有热木星的大小从木星的三分之一到木星质量的10倍不等,它们都以非常近的距离围绕其主恒星运行,通常比太阳系最内层的行星水星离太阳更近。在典型的热木星上,“一年”持续数小时,最多几天。相比之下,水星绕太阳一周需要将近三个月的时间。

由于它们的轨道很近,大多数(如果不是全部的话)热木星都被认为与它们的主星高速拥抱,一边永远暴露在恒星的辐射下,另一边永远笼罩在黑暗中。典型的炽热木星表面温度高达5000华氏度,“较冷”的样本温度高达1400华氏度,足以熔化铝。

这项研究由亚利桑那大学宇航局的萨根研究员Megan Mansfield领导,该研究利用哈勃太空望远镜所做的观测,允许团队直接测量热木星的发射光谱,尽管哈勃不能直接对这些行星进行成像。

“这些系统,这些恒星和它们的热木星,太远了,无法分辨单个恒星和它的行星,”曼斯菲尔德说。“我们所能看到的只是一个点——两者的结合光源。”

曼斯菲尔德和她的团队使用了一种称为“二次日食”的方法,从观测结果中梳理出信息,使他们能够深入观察行星的大气层,深入了解行星的结构和化学组成。这项技术包括对同一个系统的重复观测,在其轨道的不同位置捕捉这颗行星,包括它在恒星后面下沉的时候。

曼斯菲尔德说:“我们基本上是测量来自恒星及其行星的综合光,并将测量结果与我们看到的行星隐藏在其恒星后面时的结果进行比较。”“这让我们可以减去恒星的贡献,隔离行星发出的光,即使我们不能直接看到它。”

日食数据使研究人员深入了解了热木星大气的热结构,并使他们能够构建每个热木星的温度和压力的单独剖面。研究小组随后分析了来自每个热木星系统的近红外光的吸收特征。近红外光是一种波长波段,刚好超出了人类可以看到的范围。因为每个分子或原子都有自己特定的吸收剖面,就像指纹一样,观察不同的波长可以让研究人员获得关于热木星化学组成的信息。例如,如果行星的大气层中存在水,它将吸收1.4微米的光,这正是哈勃能很好地看到的波长范围。

曼斯菲尔德说:“在某种程度上,我们使用分子扫描这些热木星上的大气。”。“我们可以利用我们观察到的光谱来获取有关大气层组成的信息,我们还可以获取有关大气层结构的信息。”

研究小组进一步量化了观测数据,并将其与据信在热木星大气中起作用的物理过程模型进行了比较。根据曼斯菲尔德的说法,这两组数据非常吻合,证实了许多基于理论工作的行星性质预测似乎是正确的。曼斯菲尔德说,这些发现“令人兴奋,因为它们根本无法保证。”

结果表明,所有的热木星,不仅仅是研究中包括的19颗,都可能含有类似的分子,如水和一氧化碳,以及少量的其他分子。各个行星之间的差异主要在于这些分子的相对数量的不同。研究结果还表明,观测到的吸水特征在不同的热木星之间略有不同。

曼斯菲尔德说:“总而言之,我们的研究结果告诉我们,我们很有可能发现这些行星的化学物质中正在发生的重大事件。”。“同时,每颗行星都有自己的化学组成,这也影响我们在观测中看到的东西。”

根据作者的说法,这些结果可以用来指导天文学家在观察一颗从未被研究过的炽热木星时可能看到的景象。美国宇航局新闻旗舰望远镜詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space telescope)将于12月18日发射,这让系外行星猎人们兴奋不已,因为韦伯可以在更宽的红外线范围内看到,并将允许人们更详细地观察系外行星,包括炽热的木星。

曼斯菲尔德说:“对于行星是如何形成的,我们仍然有很多不知道的地方,我们试图了解这种情况是如何发生的,其中一种方法是通过观察这些炽热木星的大气层,找出它们是如何形成的。”。“有了哈勃数据,我们可以通过研究吸水率来观察趋势,但当我们谈论整个大气的组成时,还有许多其他重要的分子需要观察,如一氧化碳和二氧化碳,JWST也将给我们一个机会来实际观察这些分子。”

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