系外行星的高温大气层会产生钛雨和氧化铝云

为了对系外行星所具有的大气类型进行分类,来自加拿大、英国和美国组成的研究小组通过评估系外行星大气层中成分中的哪一个真正重要并将模型与我们现有的数据进行比较,企图弄清其大气层的奥秘。

由于开普勒任务的成功,我们知道有大量被称为“热木星”的系外行星。这些气态巨行星的轨道离它们的恒星非常近,以至于它们能达到极高的温度。

它们也有奇异的大气层,这些大气层包含了很多奇异的东西,比如由氧化铝和钛雨构成的云。

一组天文学家已经为热木星绘制了云图,详细描述了我们在观察不同的热木星时将看到的云和大气类型。

尽管所有的热木星都是相似的,但它们确实有一些不同之处。这些差异决定了我们将在它们的大气层中看到什么,特别是在接下来的几年里,随着我们开发更强大的望远镜来观察它们。

热木星的质量上限大约是13.6倍木星质量。在这之上,它会融合氘,形成褐矮星。它们的轨道周期在1.2 – 111天之间,轨道接近圆形,偏心率低。

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(褐矮星)

许多热木星密度很低,它们被潮汐锁定在恒星上。它们在红矮星周围很少见,在F型和G型恒星周围很常见,在K型恒星周围很少见。

我们知道有这么多热木星的原因之一是它们很容易被发现。当它们在恒星前面经过时,比较小的行星阻挡了更多的光。而且由于它们的轨道周期很短,我们在观察时捕捉到过境现象的几率相当高。

由于热木星很容易被发现,并且是将来用天文望远镜进行大气观测的极好候选者,因此一组天文学家为它们制作了一张云图。该图集基本上是在不同的热木星上可以找到的不同类型的大气和云的模型。

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预测开尔文热木星上常见的云层高度和温度构成成分。(加州大学伯克利分校 彼得·高)

这个天文学家团队来自加拿大、英国和美国。第一作者彼得·高是加州大学伯克利分校的博士后研究员。论文的标题是“热巨系外行星的气溶胶成分主要由硅酸盐和碳氢化合物霾组成”,发表在《自然天文学》杂志上。

这项研究背后的想法是对热木星所拥有的大气类型进行分类。

正如作者在研究中写道,“气溶胶普遍存在于各种温度、质量和年龄的系外行星的大气中。这些气溶胶强烈影响着对系外行星透射、反射和发射光的观测,模糊了我们对系外行星热结构和组成的理解。”

了解热木星大气中的气溶胶将为天文学家在未来观察这些大气提供帮助。

他们写道:“了解主要的气溶胶成分有助于解释系外行星的观测结果,以及对其大气理论的理解。”

他们的工作也与我们太阳系中的世界相关,比如温度较低的气态巨行星木星、土星、天王星和海王星,以及像土卫六这样的卫星,大气浓厚而朦胧。

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(气态巨行星)

根据作者的说法,一种云占据着气态巨星的大气层,无论它们是热木星还是低温的巨行星。大气中含有“液态或固态的硅和氧滴液,就像熔融石英或熔砂。”

第一作者彼得·高在研究中说:“能够存在于这些高温大气中的云,我们并不认为它们和太阳系中的云一样。”

“已经有模型可以预测各种成分,但这项研究的重点是评估哪些成分实际上是重要的,并将该模型与我们现有的数据进行比较。”

系外行星的大气层——实际上任何与系外行星有关的一切——一直是天文学的一个热门话题,并且已经持续了大约十年。天文学家已经能够在星光穿过大气层时观察它们,并确定一些有关其组成的一些事实。

例如,2019年,科学家在一颗系外行星的大气层中发现了水蒸气——甚至可能是雨。2020年,研究人员在一颗被潮汐锁定的系外行星的夜空大气层中发现了熔铁雨的证据。

2013年10月,天文学家在开普勒飞船开普勒7b发现的首批系外行星之一上发现了云层覆盖的证据。

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开普勒-7b(左)与木星(右)的云图

(美国国家航空航天局/喷气推进实验室-加州理工学院/麻省理工学院)

但是,对于每一个向光谱学提供大气秘密的系外行星来说,都有另一个云层因为太厚,光谱无法工作。云层过厚,光谱辐射根本无法穿透。这就阻止了天文学家研究大气层的深层,那里隐藏着关于这颗行星的线索。

“我们已经发现了很多云:各种粒子——不是分子,而是小水滴——悬挂在这些大气层中”高说。

“我们真的不知道它们的成分,但它们正在污染我们的观测结果,从本质上来说,这使我们更难评估水和甲烷等重要分子的组成和丰度。”

系外行星科学家试图理解和解释他们所看到的这些液滴是什么。他们模拟了氧化铝,例如刚玉,红宝石和蓝宝石的成分;熔融盐,如氯化钾;氧化硅或硅酸盐,如石英,沙子的主要成分;以岩石形式存在于地球上的锰或锌的硫化物;有机碳氢化合物。

高表示,这些奇异的云可能是液体或固体气溶胶。

这些模型是从围绕地球大气层开发模型中改编而来的,然后扩展到像木星这样的行星上,木星的大气充满含有甲烷和氨气。从那以后,高和其他作者将其扩展到温度高达2500摄氏度(4600华氏度)的热木星。

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(热木星)

他们的目标是研究由不同原子或分子凝结液滴而成的不同大气气体,这些液滴如何生长或蒸发,以及它们如何在大气中传输。

高说,他的想法是,“相同的物理原理指导所有类型的云的形成”他还对金星上的硫酸云进行了模拟。

“我所做的就是把这个模型带到银河系的其他部分,使其能够模拟硅酸盐云、铁云和盐云。”

但这仅仅是一个模型。一旦模型被开发出来,就该对其进行观察测试了。我们已经对大约70颗系外行星进行了详细的大气观测,高和研究团队将这些模型与其中的30颗进行了对比。

他们的结果排除了多年来提出的一些更奇异的云类型。这是因为凝聚它们需要太多的能量。

但是其他类型,比如二氧化硅云,很容易凝结。高和研究团队发现二氧化硅云在一个相当大的温度范围内占据主导地位:1100开尔文,大约900至2000开尔文之间。

他们还发现,在高温木星中最热的地方,铝氧化物和钛氧化物凝结成高层云,而在大气层较冷的系外行星上,这些云形成于行星深处,并被较高的硅酸盐云所掩盖。

如果这些行星温度更低,相同的硅酸盐云则会在更深处形成,使得上层大气清澈透明。

高解释说,根据他们的发现,最适合大气研究的热木星在两个温度范围内:一个在900K到1400K之间,另一个在2200K以上。

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在这两个温度范围内,上层大气都是清澈透明的,可以对大气进行详细的观测。

“以前曾在许多系外行星的大气层中测量过云的存在,但只有当我们共同查看一个大样本时,我们才可以分辨大气中的物理和化学成分”合著者,英国布里斯托尔大学的天体物理学家汉娜韦克福德表示。

“主要的云就像沙子一样常见——本质上就是沙子——能够用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)首次测量云本身的光谱特征将是非常令人兴奋的。”

当JWST发射时,它将极大地推动天文学、宇宙学和其他空间科学领域的发展。它将有能力近距离观察系外行星的大气层。

但它也能将其强大的红外探测器对准地球附近的星球,比如木星。我们可能会发现,一些奇异的云类型存在于木星的低层大气。

作者事先承认,这项研究存在一个不足之处。他们的模型没有考虑昼夜的差异,即使热木星通常是潮汐锁定在它们的恒星上。

他们写道:“我们的研究需要注意的一点是,通过使用一维模型,我们没有考虑温暖的巨大系外行星的三维特性,这些行星很可能会被被潮汐锁定在它们的主恒星上。”

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但是,这可能对他们的工作结果没有太大的总体影响。正如作者所写的,“这些影响不太可能对我们的结论产生实质性影响,但是,因为在传输中观察到的终端平均温度剖面应该比更极端的昼夜剖面更类似于我们在建模中使用的全球平均剖面。”

在未来,高和他的同事打算用更多的系外行星来测试他们的模型。高说,“由于有数千个系外行星,而木星只有一个,我们可以研究它们中的一堆,看看平均值是多少,与木星相比如何”

他们还打算研究一些褐矮星。棕矮星本质上是气态巨星,它们的质量如此之大以至于它们几乎就像恒星一样,它们也具有大气层和云层。

加州大学圣克鲁兹分校的乔纳森·福特尼说“在研究太阳系中的行星大气层时,我们通常有图像背景。太阳系外行星就没有这样的运气了,它们只是点或影子,”

“这是巨大的信息损失。但我们需要的是填充更大的样本容量。这让我们可以根据行星温度寻找趋势——云量的趋势。——行星温度,在太阳系没有的奢侈东西。”

FY:桃子

作者:Universe Today

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