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超热的系外行星有一个奇怪的、狂野的大气层

超热系外行星:巨大的暗红色云层,发光的水滴从云层上落下。
艺术家对超热系外行星WASP-76b的印象,该行星的温度足以蒸发金属。图像通过欧洲南方天文台/科恩梅瑟先生。

超热的系外行星有一个奇怪的、狂野的大气层

通过艾米莉·戴伯特,多伦多大学

极热木星——因其与木星的物理相似性而得名——是围绕太阳以外的恒星运行的系外行星,其温度如此之高,以至于其大气中的分子都被破坏了完全分裂. 它们是我们银河系中最极端的环境之一。

他们还围绕着他们的母星旋转,轨道只持续几天,天文学家还是不确定它们是如何形成的。

虽然这些严酷的条件听起来像是极端的,天文学家们开始意识到它们可能只是(非常热的)冰山的一角。在最近发表在天文物理期刊通讯,我的同事和我发现其中一个奇特的世界比我们想象的还要极端。

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超热系外行星WASP-76b

发现2016年,WASP-76b也许是这些极热世界中最著名的。WASP-76b的体积是木星的两倍,白天的温度高达2400摄氏度(4400华氏度),绕其母星运行不到两天。然而,它声名鹊起的是一项2020年的研究,该研究表明液态铁可能真的从天上掉下来了.

最近的研究尚未经过同行评审,但已经完成这一结果受到质疑. 但毫无疑问,WASP-76b上的条件与地球上的任何东西都完全不同。因此,WASP-76b可以为我们提供一扇了解银河系中最极端的物理和化学过程的窗口,而研究其严酷的外星环境可以帮助我们了解我们自己的太阳系。

环绕一颗大恒星运行的淡红色带状行星。
艺术家关于一颗炽热的木星行星的概念,类似于WASP-76b,围绕着丰富的老恒星团梅西耶67中的一颗恒星运行。图像通过欧洲空间天文台/L.Calçada。

大气知识

不幸的是,研究系外行星——甚至像WASP-76b这样的大行星——往往说起来容易做起来难。这个4500颗系外行星已经被发现它们离我们非常遥远,它们的母星非常明亮,以至于来自系外行星本身的光线被完全冲走。

与其直接观察系外行星,我们通常需要找到推断它们存在的方法。这些间接方法实际上是我们发现的大多数系外行星的原因。作为奖励,我们还可以使用这些方法观察系外行星的大气层。

这就是背后的想法渡越光谱. 当一颗系外行星经过或横穿其母星时,该恒星发出的光会被过滤通过系外行星的大气层。不同的大气气体在星光上留下独特的化学印记——比如指纹——通过研究这些指纹,我们能够知道存在哪些气体。这可以帮助我们更多地了解系外行星的实际情况。

从理论上讲,你可以对任何有大气层的系外行星这样做,但对热且膨胀的大气层来说最简单。大而长的大气在它们的星光上留下了更强的化学印记,这使我们更容易观察到它们。

这正是为什么我们的团队选择WASP-76b作为我们新的系外行星(具有双子座光谱的系外行星)调查所观察到的首批系外行星之一。领导杰克特纳,雷·贾亚瓦尔德哈纳安德鲁·里登·哈珀在康奈尔大学,这项调查的目标是利用卫星观测40多颗系外行星的大气层夏威夷双子座北方望远镜.

日落时分,研究人员站在贫瘠山顶上一座巨大的圆顶天文台旁。
ExoGemS调查使用位于夏威夷的双子座北方望远镜来研究40多颗行星的大气层。通过Mailseth获取图像/维基媒体共享.

极端大气

在这项特别的研究中,我们观察了WASP-76b在其母星前过境的四个小时。我们在寻找大气中金属的化学指纹,因为在这些极端温度下,金属实际上会蒸发成气体。

WASP-76b在过去已经被观察了很多次,但是我们从双子座北方望远镜的观测结果比之前公布的结果更红。这意味着我们可以寻找以前的研究无法获得的化学指纹,从而更广泛地揭示这个极端世界的奇异成分。

在我们的数据中,最引人注目的是在红外波段的一系列三个非常强的吸收特征。我们将其识别为电离钙的化学指纹——钙原子失去了一个电子——信号如此强烈,以至于我们可以看到它在外行星围绕其母星运行时四处移动。

大量游离钙

在WASP-76b的大气中发现钙并不特别令人惊讶;一组不同的钙信号被激活今年早些时候已经被发现. 让我们惊讶的是我们看到了多少游离钙:比我们的理论模型预测的要多得多。

发生了什么事?一种可能性是,WASP-76b的大气温度甚至比我们之前认为的2400摄氏度(4400华氏度)还要高。这些极端的温度会从普通的钙原子中剥离电子,温度越高,这种情况发生的频率就越高。

另一种可能性是强风正在从系外行星的深处挖掘电离的钙原子。最近的一项研究实际上表明WASP-76b的风速可能高达每秒22公里[接近50000英里/小时]。作为参考,地球上有史以来最快的风速不到每秒一公里.

幸运的是,另一个天文学家小组使用了来自地球的观测数据西班牙卡拉尔阿尔托天文台在红外光下检测同样的游离钙信号。和我们一样,他们的数据显示电离钙比预期的多. 很明显,在WASP-76b的大气层中发生的事情比我们想象的要多得多。

怪异、狂野的气氛

WASP-76b已经被几乎所有的主要望远镜观测到了,从夏威夷的双子座北方望远镜到美国的太空望远镜智利的超大型望远镜一直到哈勃太空望远镜在外层空间。为了完整地拼凑出大气层中发生了什么,我们需要等待来自强大的新卫星的观测詹姆斯·韦伯太空望远镜定于2021年12月推出。

与此同时,我们的ExoGemS调查将使我们能够从地球上的这里继续调查数十颗系外行星的大气层——其中许多从未被描述过。毫无疑问,WASP-76b怪异、狂野的大气只是我们将要揭开的开始。

艾米莉·戴伯特,博士。天文学和天体物理学候选人,多伦多大学

这篇文章是从谈话根据知识共享许可证。阅读原文.

一句话:极热的系外行星WASP-76b有一个奇怪的、狂野的大气层,是我们银河系中最极端的环境之一。

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2021年11月11日
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