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奇異的大氣層,奇異的鈦雨和氧化鋁雲,系外行星的大氣層秘密

11月
22
2020

2020年11月22日21時 天文在線

百家榜創作者,金芒計劃簽約創作者,科學達人,優質創作者

本文參加百家號 #科學了不起# 系列征文賽。

為了對系外行星所具有的大氣類型進行分類,來自加拿大、英國和美國組成的研究小組通過評估系外行星大氣層中成分中的哪一個真正重要並將模型與我們現有的數據進行比較,企圖弄清其大氣層的奧秘。

由於開普勒任務的成功,我們知道有大量被稱為“熱木星”的系外行星。這些氣態巨行星的軌道離它們的恒星非常近,以至於它們能達到極高的溫度。

它們也有奇異的大氣層,這些大氣層包含了很多奇異的東西,比如由氧化鋁和鈦雨構成的雲。

一組天文學家已經為熱木星繪制了雲圖,詳細描述了我們在觀察不同的熱木星時將看到的雲和大氣類型。

盡管所有的熱木星都是相似的,但它們確實有一些不同之處。這些差異決定了我們將在它們的大氣層中看到什麼,特別是在接下來的幾年裏,隨著我們開發更強大的望遠鏡來觀察它們。

熱木星的質量上限大約是13.6倍木星質量。在這之上,它會融合氘,形成褐矮星。它們的軌道周期在1.2 - 111天之間,軌道接近圓形,偏心率低。

(褐矮星)

許多熱木星密度很低,它們被潮汐鎖定在恒星上。它們在紅矮星周圍很少見,在F型和G型恒星周圍很常見,在K型恒星周圍很少見。

我們知道有這麼多熱木星的原因之一是它們很容易被發現。當它們在恒星前面經過時,比較小的行星阻擋了更多的光。而且由於它們的軌道周期很短,我們在觀察時捕捉到過境現象的幾率相當高。

由於熱木星很容易被發現,並且是將來用天文望遠鏡進行大氣觀測的極好候選者,因此一組天文學家為它們制作了一張雲圖。該圖集基本上是在不同的熱木星上可以找到的不同類型的大氣和雲的模型。

預測開爾文熱木星上常見的雲層高度和溫度構成成分。(加州大學伯克利分校 彼得·高)

這個天文學家團隊來自加拿大、英國和美國。第一作者彼得·高是加州大學伯克利分校的博士後研究員。論文的標題是“熱巨系外行星的氣溶膠成分主要由矽酸鹽和碳氫化合物霾組成”,發表在《自然天文學》雜志上。

這項研究背後的想法是對熱木星所擁有的大氣類型進行分類。

正如作者在研究中寫道,“氣溶膠普遍存在於各種溫度、質量和年齡的系外行星的大氣中。這些氣溶膠強烈影響著對系外行星透射、反射和發射光的觀測,模糊了我們對系外行星熱結構和組成的理解。”

了解熱木星大氣中的氣溶膠將為天文學家在未來觀察這些大氣提供幫助。

他們寫道:“了解主要的氣溶膠成分有助於解釋系外行星的觀測結果,以及對其大氣理論的理解。”

他們的工作也與我們太陽系中的世界相關,比如溫度較低的氣態巨行星木星、土星、天王星和海王星,以及像土衛六這樣的衛星,大氣濃厚而朦朧。

(氣態巨行星)

根據作者的說法,一種雲占據著氣態巨星的大氣層,無論它們是熱木星還是低溫的巨行星。大氣中含有“液態或固態的矽和氧滴液,就像熔融石英或熔砂。”

第一作者彼得·高在研究中說:“能夠存在於這些高溫大氣中的雲,我們並不認為它們和太陽系中的雲一樣。”

“已經有模型可以預測各種成分,但這項研究的重點是評估哪些成分實際上是重要的,並將該模型與我們現有的數據進行比較。”

系外行星的大氣層——實際上任何與系外行星有關的一切——一直是天文學的一個熱門話題,並且已經持續了大約十年。天文學家已經能夠在星光穿過大氣層時觀察它們,並確定一些有關其組成的一些事實。

例如,2019年,科學家在一顆系外行星的大氣層中發現了水蒸氣——甚至可能是雨。2020年,研究人員在一顆被潮汐鎖定的系外行星的夜空大氣層中發現了熔鐵雨的證據。

2013年10月,天文學家在開普勒飛船開普勒7b發現的首批系外行星之一上發現了雲層覆蓋的證據。

開普勒-7b(左)與木星(右)的雲圖

(美國國家航空航天局/噴氣推進實驗室-加州理工學院/麻省理工學院)

但是,對於每一個向光譜學提供大氣秘密的系外行星來說,都有另一個雲層因為太厚,光譜無法工作。雲層過厚,光譜輻射根本無法穿透。這就阻止了天文學家研究大氣層的深層,那裏隱藏著關於這顆行星的線索。

“我們已經發現了很多雲:各種粒子——不是分子,而是小水滴——懸掛在這些大氣層中”高說。

“我們真的不知道它們的成分,但它們正在汙染我們的觀測結果,從本質上來說,這使我們更難評估水和甲烷等重要分子的組成和豐度。”

系外行星科學家試圖理解和解釋他們所看到的這些液滴是什麼。他們模擬了氧化鋁,例如剛玉,紅寶石和藍寶石的成分;熔融鹽,如氯化鉀;氧化矽或矽酸鹽,如石英,沙子的主要成分;以岩石形式存在於地球上的錳或鋅的硫化物;有機碳氫化合物。

高表示,這些奇異的雲可能是液體或固體氣溶膠。

這些模型是從圍繞地球大氣層開發模型中改編而來的,然後擴展到像木星這樣的行星上,木星的大氣充滿含有甲烷和氨氣。從那以後,高和其他作者將其擴展到溫度高達2500攝氏度(4600華氏度)的熱木星。

(熱木星)

他們的目標是研究由不同原子或分子凝結液滴而成的不同大氣氣體,這些液滴如何生長或蒸發,以及它們如何在大氣中傳輸。

高說,他的想法是,“相同的物理原理指導所有類型的雲的形成”他還對金星上的硫酸雲進行了模擬。

“我所做的就是把這個模型帶到銀河系的其他部分,使其能夠模擬矽酸鹽雲、鐵雲和鹽雲。”

但這僅僅是一個模型。一旦模型被開發出來,就該對其進行觀察測試了。我們已經對大約70顆系外行星進行了詳細的大氣觀測,高和研究團隊將這些模型與其中的30顆進行了對比。

他們的結果排除了多年來提出的一些更奇異的雲類型。這是因為凝聚它們需要太多的能量。

但是其他類型,比如二氧化矽雲,很容易凝結。高和研究團隊發現二氧化矽雲在一個相當大的溫度範圍內占據主導地位:1100開爾文,大約900至2000開爾文之間。

他們還發現,在高溫木星中最熱的地方,鋁氧化物和鈦氧化物凝結成高層雲,而在大氣層較冷的系外行星上,這些雲形成於行星深處,並被較高的矽酸鹽雲所掩蓋。

如果這些行星溫度更低,相同的矽酸鹽雲則會在更深處形成,使得上層大氣清澈透明。

高解釋說,根據他們的發現,最適合大氣研究的熱木星在兩個溫度範圍內:一個在900K到1400K之間,另一個在2200K以上。

在這兩個溫度範圍內,上層大氣都是清澈透明的,可以對大氣進行詳細的觀測。

“以前曾在許多系外行星的大氣層中測量過雲的存在,但只有當我們共同查看一個大樣本時,我們才可以分辨大氣中的物理和化學成分”合著者,英國布裏斯托爾大學的天體物理學家漢娜韋克福德表示。

“主要的雲就像沙子一樣常見——本質上就是沙子——能夠用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)首次測量雲本身的光譜特征將是非常令人興奮的。”

當JWST發射時,它將極大地推動天文學、宇宙學和其他空間科學領域的發展。它將有能力近距離觀察系外行星的大氣層。

但它也能將其強大的紅外探測器對准地球附近的星球,比如木星。我們可能會發現,一些奇異的雲類型存在於木星的低層大氣。

作者事先承認,這項研究存在一個不足之處。他們的模型沒有考慮晝夜的差異,即使熱木星通常是潮汐鎖定在它們的恒星上。

他們寫道:“我們的研究需要注意的一點是,通過使用一維模型,我們沒有考慮溫暖的巨大系外行星的三維特性,這些行星很可能會被被潮汐鎖定在它們的主恒星上。”

但是,這可能對他們的工作結果沒有太大的總體影響。正如作者所寫的,“這些影響不太可能對我們的結論產生實質性影響,但是,因為在傳輸中觀察到的終端平均溫度剖面應該比更極端的晝夜剖面更類似於我們在建模中使用的全球平均剖面。”

在未來,高和他的同事打算用更多的系外行星來測試他們的模型。高說,“由於有數千個系外行星,而木星只有一個,我們可以研究它們中的一堆,看看平均值是多少,與木星相比如何”

他們還打算研究一些褐矮星。棕矮星本質上是氣態巨星,它們的質量如此之大以至於它們幾乎就像恒星一樣,它們也具有大氣層和雲層。

加州大學聖克魯茲分校的喬納森·福特尼說“在研究太陽系中的行星大氣層時,我們通常有圖像背景。太陽系外行星就沒有這樣的運氣了,它們只是點或影子,”

“這是巨大的信息損失。但我們需要的是填充更大的樣本容量。這讓我們可以根據行星溫度尋找趨勢——雲量的趨勢。——行星溫度,在太陽系沒有的奢侈東西。”

FY:桃子

作者:Universe Today

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