奇特系外行星的昼夜:一面永远白天,另一面永远黑夜

新浪科技 2022/3/3 10:28:45 责编:长河

北京时间 3 月 3 日消息,据国外媒体报道,天文学家已经在太阳系以外发现了许多围绕其他恒星运行的行星,这些星球与太阳系的行星非常不同。在系外行星中,有许多是大型的气态行星,它们的体积与木星大致相当,围绕其母恒星运行一周的时间仅有数天。

研究人员思考的一个重大问题是,对于像WASP-121b这样的超高温行星,其黑暗的“夜面”会发生什么?

▲ 研究人员思考的一个重大问题是,对于像 WASP-121b 这样的超高温行星,其黑暗的“夜面”会发生什么?

这些系外气体巨行星被称为“热木星”,它们通常隐没在母恒星发出的光芒中,无法被我们直接观察到。不过,它们却是用凌日法最容易探测到的行星。凌日法是一种间接推断系外行星存在的方法,当一颗行星经过母恒星前方(这一过程称为“凌”)时,观测者会观测到恒星的视觉亮度会略微下降。

在凌日过程中,天文学家还可以探测穿过行星大气层的星光中的不同气体,从而测量其大气成分。但是,这只能提供该行星某一区域的情况。在一项关于系外行星 WASP-121b 的新研究中,天文学家对一颗热木星的全球大气情况进行了分析,呈现了前所未有的细节。

对于运行轨道非常靠近母恒星的行星,其一面会永远处于白天,另一面则永远处于黑夜。这类行星“昼面”的温度可以达到极高,有时甚至超过了最冷的恒星的温度,具体情况取决于行星轨道与恒星的距离。天文学家可以计算出恒星和行星的总光量,与恒星本身的光量进行比较,从而测量出行星昼面的温度。

WASP-121b 于 2015 年被超广角寻找行星(SuperWASP)望远镜发现。它的白天温度超过 226.85 摄氏度。气态巨行星主要由氢分子和氦分子组成,还有少量其他气体,如水蒸气。然而,在 WASP-121b 如此极端的温度下,分子会分裂成独立的原子,电子甚至可以从原子核中剥离出来,导致与其他行星截然不同的大气化学特征。

研究人员思考的一个重大问题是,对于像 WASP-121b 这样的超高温行星,其黑暗的“夜面”会发生什么?这一侧没有任何星光,只能永远面对着冰冷的太空深处。使夜面升温的唯一方法是通过行星大气层中的风,将昼面的热量输送过来。但研究人员预计,对于最热的系外气态巨行星而言,即使能刮起很强力的风,其昼面和夜面之间也会有巨大的温度差异,这很可能会对大气中的化学过程产生连锁反应。

要想知道 WASP-121b 的夜面究竟发生了什么,唯一的办法就是至少在一圈完整轨道上对该行星及其母恒星进行综合观测。当行星的不同表面旋转进入视野时,天文学家就可以测量来自该系统的不同波长光线的微小变化。

通过测量,研究人员得以绘制该行星表面的气体层,并比较气体层在白天和黑夜的情况。目前,这种方法只可能适用于少数几颗行星,因为所要搜寻的信号实在太小了。不过,天文学家对未来的探测感到乐观,利用新近发射的詹姆斯・韦伯太空望远镜(JWST),研究人员将可以更广泛地应用这一方法。

研究团队使用哈勃太空望远镜对系外行星 WASP-121b 进行了两个完整轨道的观测,并对其大气层进行了测量。他们通过哈勃太空望远镜上的一个仪器来观察光谱的近红外部分,这部分对该行星大气层中的水蒸气十分敏感。研究人员将轨道每一阶段的观测数据与计算机生成的模型进行了比较,以测量存在的水蒸气含量,以及此阶段大气中不同高度的温度。

水循环和云

研究人员发现,系外行星 WASP-121b 昼夜之间的温度相差超过 1000K:夜面大约为 1500K,海拔更高的昼面温度则远超过 2500K。这种极端的温差使得昼面的水蒸气量少于夜面,因为气体分子会在昼面的极端温度下分解,但当空气移动到夜面冷却时,分子又会重新组合。

这意味着 WASP-121b 具有类似水循环的特征。不过,在 WASP-121b 上,水并不像在地球上那样先凝结成液体,然后在蒸发成气体之前形成云;相反地,该行星的水分子本身会经历被分解,然后再重新形成的过程。

这并不是说 WASP-121b 就没有云。至少在这颗行星的夜面,由于温度足够低,足以使矿物质(在地球上,矿物质通常是固体岩石中发现的化合物,但在超热行星的大气中,已经探测到矿物质可以作为气体存在)会凝结并形成云层。WASP-121b 夜面的天空甚至可能布满了红宝石或蓝宝石,因为研究人员的测量结果显示,夜面的大气温度很适合刚玉(形成宝石的矿物)凝结成细小的尘埃颗粒。

观察系外行星 WASP-121b 的水循环有助于证实研究人员对极端高温行星的一些预测,也提供了更多的机会,使天文学家能了解大气层在这些极端条件下的变化。下一步,研究人员将对更多的行星进行同样的测量,并比较所获得的结果。也许詹姆斯・韦伯太空望远镜能够帮助他们做到这一点,并重复对 WASP-121b 的测量结果,以获得更清晰的图像。

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关键词:行星

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