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这颗超级热的系外行星有金属构成的天空

发布时间:2019-03-01 15:17:53

一颗“热木星”在其恒星附近公转的艺术想象图。KELT-9b是这类行星中的一员,观测表明,它的大气中有汽化的重金属。图源:ESO/ rnmesser。

天文学家们次在太阳系外的行星大气中发现了铁元素和钛元素。这颗名叫KELT-9b的行星是人类探测到的热的行星,甚至比大多数恒星还要炽热。

这颗炙热的系外行星位于天鹅座,距离我们大约620光年。天文学家们把它称作一颗“极热的类木行星”。就像太阳系中的行星木星一样,KELT-9b也是一颗巨大的气态行星。不过,它比木星大多了——其质量是木星的三倍,而直径则是木星的两倍。而且,KELT-9b的轨道距离它的恒星KELT-9非常的近。

“极热的类木行星”是对于温度超过1700摄氏度(3100华氏度)的系外类木行星的俗称。参与了这次研究的瑞士伯尔尼大学的天体物理学家Kevin Heng告诉的,这类天体“尽管是行星,但是它们却有着恒星级别的温度”。事实上,KELT-9b的温度能达到4300摄氏度(7800华氏度)。

如此之高的温度使得天文学家们能够从KELT-9b的大气中探测到铁和钛。Heng说,铁是宇宙中丰富的元素之一,

这颗超级热的系外行星有金属构成的天空

尽管科学家们很久以前就认为这些元素存在于一些系外行星上,但它们却很难在温度较低的行星中被发现,因为在这些行星上金属原子“被包裹在其它分子当中了”。不过,KELT-9b的高温导致云汽不会在大气层中凝结。这样一来,铁和其他金属的的单个原子就得以独立存在于大气之中了。

人们曾经在一颗系外行星的大气中发现过钛元素,但当时是以分子态而非原子态被发现的。2017年9月,一个天文学家团队宣布他们使用哈勃空间望远镜在系外行星开普勒-13A的大气层中发现了二氧化钛(由一个钛原子和两个氧原子构成的分子)。

通过观察太空中一个物体的光谱,天文学家可以探测出不同的元素。由于系外行星本身不发光,所以Heng和他的团队使用了系外行星在其恒星前掠过时望远镜获得的数据。

早在Heng和他的伙伴决定着手进行这项研究之前,关于KELT-9b的凌日数据就已经被记录下来了。Heng说,他日内瓦大学的同事们用这些光谱数据寻找过KELT-9b上的氢气之后,就把这些数据放在了抽屉里。“的确,当时并没有什么寻找铁或者钛的理由,”Heng说,“但几个月之后,我们做了一次理论研究,发现KELT-9b的大气层上可能会有铁和钛。于是,我们决心进行这项研究。”

这些光谱数据是一年前在西班牙拉帕尔玛岛的伽利略国家天文台测得的。通过为拍摄光谱而特制的“高精度视向速度行星搜索器(HARPS)”,天文台从这次长达四小时的凌日中得到了光穿透KELT-9b的大气层时留下的光谱数据。利用这些数据,天文学家们开始寻找金属的踪迹。

“当你把光分解成光谱时,不同的原子和分子有着不同的特征,”Heng说,“如果有质量够高的精确数据,每一个分子都有自己不同的标记”。Heng在Nature的博客上写道,他的团队早就怀疑KELT-9b的大气层中有铁和钛了,但是要想找到它们的独特特征,需要同时具备“高性能的计算机技术,对光谱数据库的仔细鉴别,以及对细节无微不至的关注。”

Heng的团队寻求了伯尔尼大学天体物理学者Simon Grimm的帮助。Simon尤其擅长关于原子和分子透光能力的计算。Heng在博客中说,“分子和原子的透光能力对于计算过程来讲非常重要,因为我们需要处理几百万甚至几十亿的光谱线。”

之前寻找KELT-9b大气中氢气的研究里,人们很容易就能发现光谱上一条明显的氢吸收线。但是为了寻找铁和钛,Heng的团队需要对光谱做更加复杂的互相关分析。Heng说,那些寻找氢气的天文学家们“并没有理论动机来严谨仔细地搜索金属。”

7月2号在《自然天文》杂志上发表的另一项研究显示,氢气实际上正不断地从KELT-9b上“蒸发出来”,并被不断吸入它的恒星。这项研究的,来自马克思普朗克天文研究所的Fei Yan在电邮中告诉,“重金属元素也有可能正在逸出,因为大量的氢气逸出可以把它们拽到大气层高处。”

Heng告诉 的,在KELT-9b上找到铁和钛已经是一项重大发现了,不过研究所用的技术本身更加令人振奋。Heng说,“我们也将会用相同的技术来探测生物特征。在地球上,我们把氧分子和其他的一些分子当做生物特征,但我们并不知道总的来讲生物特征是什么。如果我们能知道的话,我们就能用完全相同的技术在更小、温度更低的行星上寻找这些(生物特征)分子了。”

显然,天文学家们不太可能在诸如KELT-9b一样环境恶劣的行星上找到生命的迹象,不过Heng的团队在它的光谱上也找到了其他一些有趣的元素。“我不想透露太多,不过我们找到了其他金属,”他说,“我们也在争取一些使用哈勃空间望远镜的时间,这样我们就能试着找找水了。”他终的目标是获取一份KELT-9b化学组成的完整清单。哈勃空间望远镜也能提供一些关于KELT-9b上气候的信息。“在这颗行星上应该会有剧烈的风暴,”他说。

这项研究于8月15号在Nature上发表。

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作者:Hanneke Weitering

翻译:薛子昂

审校:王泽宇

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