天文学家为被称为热木星的系外行星提供“实地指南”

虽然之前的研究主要集中在被归类为“热木星”的单个世界,因为它们与我们太阳系中的气态巨行星表面相似,但这项新研究是第一个研究更广泛的奇怪世界人口的研究。这项由亚利桑那大学研究人员领导的研究发表在《自然天文学》上,为天文学家提供了前所未有的热木星“实地指南”,并提供了对行星形成的总体见解。

由于一项将理论建模与哈勃太空望远镜的观测相结合的新研究,热木星——以极其紧密的轨道围绕其宿主恒星运行的巨型气体行星——已经变得不那么神秘了。

虽然之前的研究主要集中在被归类为“热木星”的单个世界,因为它们与我们太阳系中的气态巨行星表面相似,但这项新研究是第一个研究更广泛的奇怪世界人口的研究。这项由亚利桑那大学研究人员领导的研究发表在《自然天文学》上,为天文学家提供了前所未有的热木星“实地指南”,并提供了对行星形成的总体见解。

尽管天文学家认为只有十分之一的恒星拥有热木星类的系外行星,但这些奇特的行星在迄今为止发现的系外行星中占了相当大的一部分,因为它们比其他类型的系外行星更大更亮,例如作为岩石的,更像地球的行星或更小,更冷的气体行星。大小从木星的三分之一到 10 个木星的质量不等,所有热木星都在非常近的距离围绕它们的宿主恒星运行,通常比我们太阳系最里面的行星水星离太阳更近。典型的热木星上的“一年”持续数小时,或至多数天。相比之下,水星绕太阳一周需要将近三个月的时间。

由于它们的轨道很近,大多数(如果不是全部)热木星被认为与它们的宿主恒星高速拥抱在一起,一侧永远暴露在恒星的辐射中,另一侧则永远笼罩在黑暗中。典型的热木星的表面可以达到近 5,000 华氏度,“较冷”的样本达到 1,400 度——足以熔化铝。

这项研究由亚利桑那大学管家天文台的美国宇航局萨根研究员梅根曼斯菲尔德领导,使用哈勃太空望远镜进行的观测,使团队能够直接测量热木星的发射光谱,尽管哈勃可以“直接对这些行星中的任何一个进行成像。

曼斯菲尔德说:“这些系统,这些恒星和它们的热木星,距离太远,无法分辨出单个恒星及其行星。” “我们只能看到一个点——两者的组合光源。”

曼斯菲尔德和她的团队使用一种称为二次日食的方法从观测中梳理出信息,使他们能够深入观察行星的大气层并深入了解它们的结构和化学组成。该技术涉及对同一系统的重复观测,在其轨道上的不同位置捕捉行星,包括当它落在恒星后面时。

“我们基本上测量来自恒星及其行星的组合光,并将该测量结果与我们在行星隐藏在其恒星后面时所看到的进行比较,”曼斯菲尔德说。“这使我们能够减去恒星的贡献并隔离行星发出的光,即使我们无法直接看到它。”

日食数据让研究人员深入了解热木星大气的热结构,并允许他们为每个人构建单独的温度和压力分布图。然后,该团队分析了近红外光,这是一个超出人类所能看到的范围的波长,来自每个热木星系统,具有所谓的吸收特征。因为每个分子或原子都有自己特定的吸收曲线,就像指纹一样,观察不同的波长可以让研究人员获得有关热木星化学组成的信息。例如,如果行星大气中存在水,它会吸收 1.4 微米的光,这属于哈勃可以很好地看到的波长范围。

“在某种程度上,我们使用分子来扫描这些热木星的大气层,”曼斯菲尔德说。“我们可以使用我们观察到的光谱来获取有关大气成分的信息,我们还可以获得有关大气结构的信息。”

该团队进一步量化了观测数据,并将其与据信在热木星大气中起作用的物理过程模型进行了比较。根据曼斯菲尔德的说法,这两组匹配得非常好,证实了许多基于理论工作的关于行星性质的预测似乎是正确的,他说这些发现“令人兴奋,因为它们没有任何保证”。

结果表明,所有热木星,不仅仅是研究中的 19 颗,都可能包含相似的分子组,如水和一氧化碳,以及少量其他分子。各个行星之间的差异主要是由于这些分子的相对数量不同。研究结果还表明,从一颗热木星到另一颗,观察到的吸水特征略有不同。

“总的来说,我们的结果告诉我们,我们很有可能弄清楚这些行星的化学反应中正在发生的大事,”曼斯菲尔德说。“与此同时,每颗行星都有自己的化学成分,这也会影响我们在观察中看到的东西。”

这组作者说,这些结果可用于指导对天文学家在观察以前从未研究过的热木星时可能看到的东西的预期。美国宇航局新闻旗舰望远镜詹姆斯韦伯太空望远镜定于 12 月 18 日发射,这让系外行星猎人兴奋不已,因为韦伯可以看到更广泛的红外光,并且可以更详细地观察系外行星,包括热木星。

“关于行星一般是如何形成的,我们仍然不知道很多,我们试图了解这种情况如何发生的方法之一是通过观察这些热木星的大气并弄清楚它们是如何形成的他们在哪里,”曼斯菲尔德说。“有了哈勃的数据,我们可以通过研究吸水率来观察趋势,但是当我们谈论整个大气的组成时,还有许多其他重要的分子需要研究,例如一氧化碳和碳二氧化碳,JWST 也将让我们有机会实际观察它们。”

故事来源:

材料亚利桑那大学提供。原著由丹尼尔·斯托尔特 (Daniel Stolte) 撰写。注意:内容可以根据样式和长度进行编辑。


期刊参考

  1. 梅根·曼斯菲尔德、迈克尔·R·莱恩、雅各布·L·比恩、乔纳森·J·福特尼、薇薇安·帕门蒂尔、林赛·威瑟、伊丽莎 M.-R. Kempton、Ehsan Gharib-Nezhad、David K. Sing、Mercedes López-Morales、Claire Baxter、Jean-Michel Désert、Mark R. Swain、Gael M. Roudier。一个独特的热木星光谱序列,具有成分多样性的证据自然天文学,2021;DOI:10.1038/s41550-021-01455-4

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