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距離地球630光年的地方竟然可以下“鐵雨”

2020-04-13 10:34:45  來源:科學大院

2019年,由歐洲多國天文學家組成的研究團隊利用歐洲南方天文臺甚大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)的ESPRESSO(the Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations)高精度光譜儀觀測到,距離地球630光年的系外行星WASP-76b大氣中有鐵原子,發現鐵原子會在該行星的背陽面(nightside,夜面)大氣中冷凝成“鐵雨”[1]。

WASP-76b是一顆公轉周期僅有1.8天的超高溫氣態巨行星,這顆行星呈現為潮汐鎖定狀態。這也就意味著它的公轉周期與自轉周期相同,從而導致行星的向陽面(dayside, 晝面)始終朝向恒星。這就好比從地球上看月球只能看到月球的正面,正是因為月球被地球潮汐鎖定。在恒星強烈的輻射下,WASP-76b向陽面的大氣溫度高達2400°C,這顆行星的大氣如此熾熱(接近太陽表面溫度(5500°C)的一半)足以使金屬汽化。在這樣的極端環境下,這顆行星大氣特征和化學過程似乎頗為不尋常。

天文學家先前已觀測到超短周期系外行星大氣中的金屬元素,也發現了行星晝夜面存在明顯的溫差[2-6],但是在WASP-76b上首次觀測到了鐵原子在晨昏線上的不均勻分布。在凌星觀測中,可以通過行星大氣透射譜來解譯其大氣成分??紤]行星自轉時的多普勒效應,WASP-76b東西兩側邊緣靠近和遠離觀測者的速度體現為,大氣透射譜中鐵原子吸收特征關于凌星中心時刻對稱分布的紅移或藍移(圖1)。而在整個凌星過程中,鐵原子吸收特征以藍移為主,這表明鐵原子幾乎都分布在向陽面至背陽面的晨昏線上,意味著在這交界處擁有豐富鐵蒸氣。實際測量到的藍移值大于行星自轉產生的藍移,故WASP-76b表面還存在一定速度的緯向風將鐵原子自向陽面吹向背陽面。研究人員推測鐵蒸氣在背陽面凝結形成“鐵雨”,然后從大氣落回行星表面,因此沒有發現鐵蒸氣的蹤影。

從太陽系演化模型來說,我們所熟悉的太陽系行星中所含的重元素(例如鐵)均來自太陽星云,目前絕大部分存在于類地行星(例如地球)或巨行星的內核。但是這顆系外行星的大氣中居然也有大量鐵元素,令人十分驚訝。

通過了解系外行星大氣觀測方法,我們或許可以端倪WASP-76b大氣中鐵元素的來源,這或許與其形成演化有關。

圖1 a.WASP-76b凌星過程,b。鐵原子吸收特征的示意圖 [1]

圖1 a.WASP-76b凌星過程,b。鐵原子吸收特征的示意圖 [1]

不可能的任務:測量近千光年外行星的大氣成分

天文學家通常利用直接成像法和凌星法來研究系外行星大氣。

直接成像法[7]在可見光波段和紅外波段的觀測,可直接獲得行星大氣中各類分子譜線特征,如H2O、O2、O3、CH4、CO2等甄別生命信息的重要成分,即為所謂的“化學指紋”。通過凌星法[7]探測并比較恒星在被行星遮掩前后的光譜變化,即可獲得行星大氣的化學成分。

比如當行星環繞恒星運行時,觀測者可以記錄行星與恒星共同亮度關于軌道相位的變化曲線(相曲線,如圖2)。

圖2 熱木星 HD 189733b 的在 4.5 μm 波段的相曲線[8]

圖2 熱木星 HD 189733b 的在 4.5 µm 波段的相曲線[8]

具體而言,當發生主凌時(Primary Eclipse / Transit),行星在恒星前方,遮擋恒星光,很少部分的恒星光穿過行星外緣的大氣。大氣吸收越強,恒星亮度下降就越多,由此可得到的透射譜可用于研究晨昏線上的行星大氣成分。當發生次凌時(Secondary Eclipse),行星處在恒星后方,若在近紅外或中紅外波段比較凌食前后行星與恒星累加亮度的變化,便可得到行星的熱發射譜及行星晝面大氣的溫度分布 (圖3)。哈勃空間望遠鏡提供了許多系外行星大氣的主凌透射譜,而大部分的次凌熱發射譜探測則來自 Spitzer空間望遠鏡。

圖3 主凌(左), 觀測到的是行星晨昏線上大氣的透射恒星光。次凌(右),觀測到的是行星晝面大氣吸收恒星光的再發射及反射的恒星光[9]

圖3 主凌(左), 觀測到的是行星晨昏線上大氣的透射恒星光。次凌(右),觀測到的是行星晝面大氣吸收恒星光的再發射及反射的恒星光[9]

凌星法探測靠近宿主恒星的熱木星和超級地球的行星大氣,而直接成像法主要探測離恒星較遠的年輕氣態巨行星大氣。

那么它們分別看到了什么樣的大氣呢?

熱木星、“超級地球”及宜居行星的大氣

熱木星離宿主恒星近且其溫度極高,更易進行大氣觀測。熱木星吸收了大量恒星的可見光,在紅外波段有大量的輻射,但在可見光波段非常暗,所以對熱木星的大部分觀測都是在紅外波段。通常認為熱木星大氣成分與太陽系內的木星、土星大氣類似,主要是由H、He構成的來自星云中的原始大氣。熱木星大氣中還含有由O、C、N元素組成的H2O、CO、CH4等物質[10],這些物質標記了熱木星大氣的主要特征譜線。除了介紹的WASP-76b大氣中的鐵原子,在HD 209458b, WASP-17b等熱木星中還發現了Na和K等堿金屬元素[11-12]。

由于熱木星處于潮汐鎖定狀態,其晝面永遠面向恒星。熱木星的大氣環流將大氣所吸收的恒星輻射能量重新分布,若沒有熱木星大氣的環流作用,則晝夜面溫度差異會很大,且最熱的區域會位于宿主恒星直射的星下點。熱木星大氣環流的原理類似于地球上的哈德利環流(Hadley Circulation)(圖4),由于行星表面受熱不均勻,行星赤道附近獲得更多熱量,較熱的氣體團會往上、向兩極方向運動, 遇冷后下沉再往赤道方向回流。

除了沿行星表面的環流,熱木星可能還會產生縱向的大氣逃逸。2018年,天文學家在熱木星WASP-107b[14]的近紅外波段大氣透射譜中觀測到了高層大氣中He原子的強吸收特征,這表明該行星有一個延展大氣,正以1010-3 ´ 1011g·s-1的速度逃逸,該過程有可能將其轉化為海王星質量的超短周期行星。

 圖4哈德利環流[13]

圖4哈德利環流[13]

超短周期行星(Ultra-short period planets, USPs)一般指公轉周期小于1天的系外行星(圖5),這些行星處于潮汐鎖定態。目前已發現并確認的4000余顆系外行星中約有100顆超短周期行星,例如55 Cnc e是第一顆被發現的超短周期行星[15],周期約為17.5小時。目前已知的公轉周期最短的行星KOI-1843.03公轉一周僅需4.25小時[16],這可真是度年如時!

圖5系外行星族群軌道周期及質量分布  ?。–redit:http://exoplanet.eu)

圖5系外行星族群軌道周期及質量分布   (Credit:http://exoplanet.eu)

與熱木星不同的是,目前觀測到的大部分超短周期行星屬于“超級地球”,通常指質量在 1-10 M⊕的巖石行星。因為“超級地球”的質量和半徑比熱木星小很多,因此觀測和研究它們的大氣極具挑戰。由于距離宿主恒星極近,超短周期行星的大氣相比其他“超級地球”更容易觀測。迥異于氣態巨行星保持的原始大氣,巖石行星大多為次生大氣,而超級地球的大氣形成和演化會與太陽系的“親戚”產生極大差異。

宜居行星的大氣更為天文學家和公眾所關注,然而并不容易獲得。天文學家將行星系統中適合生命存在的行星軌道范圍稱為“宜居帶”。行星與宿主恒星相隔一段合適的距離,使其表面平均溫度能夠維持液態水穩定存在。同時,恒星輻射和活動性不能太強,如行星圍繞一顆紅矮星運轉,而紅矮星紫外輻射很強,會使得行星大氣中的水分子、二氧化碳分子發生光致電離,也有可能剝離行星大氣。一般可通過尋找行星大氣光譜中的“化學指紋”(O2、O3、CO2和CH4等)來判斷宜居行星是否適合生命存在。

目前天文學家已發現數十顆宜居帶行星,這些天體基本上均分布在紅矮星周圍。例如,距離我們最近的恒星比鄰星周圍發現的宜居帶類地行星“比鄰星b”( Proxima b)(圖6),它是一顆距離地球只有4.2光年的巖石行星,這顆行星同樣可能存在液態水。近期研究表明CO2和N2等大氣成分和100 ~ 5000毫巴大氣壓力的組合可以保護“比鄰星b”大氣免受強恒星耀斑活動的紫外輻射破壞[17],維持其表面的宜居性。這或許意味著,系外行星大氣可能具備與地球不同的條件,使地外生命可以應對高紫外線輻射的環境。

人類之所以要觀測系外行星大氣,終極目標是為了尋找宜居行星或地球2.0,相關的嘗試也越來越多。

圖6 比鄰星系統與內太陽系對比   Credit: ESO / M。 Kornmesser / G。 Coleman

圖6 比鄰星系統與內太陽系對比   Credit: ESO / M。 Kornmesser / G。 Coleman

征途:尋找下一個家園

目前大部分已探測到的系外行星均由美國國家航空航天局(NASA)發射的Kepler望遠鏡發現。NASA新發射的TESS望遠鏡[18]計劃在兩年的任務期間發現約20,000顆系外行星,預計發現大約500顆R<2R⊕的類地行星。未來,歐洲航天局(ESA)的PLATO任務[19]將探測類太陽恒星的宜居帶內的類地行星,確定這些行星系統的宜居性。JWST、ARIEL等任務亦將對系外行星大氣進行大量觀測,以更高的分辨率和更大的波長覆蓋研究行星大氣中是否有水或其他生命存在特征,了解不同類型行星大氣的特征和演化,揭示行星系統形成規律。

中國也在積極部署自己的系外行星空間探測項目。中國科學院“空間科學(二期)”戰略性先導科技專項前瞻性布局了系外行星探測方向。“近鄰宜居行星巡天計劃”是其中正在推進的項目之一,計劃通過發射一個1.2米口徑的高精度天體測量空間望遠鏡,實現微角秒級星間距的測量精度,巡查太陽系近鄰32光年外100個類太陽恒星(“一巡”),探測宜居帶類地行星或超級地球(“二探”),普查近鄰行星數目、真實質量和三維軌道等信息(“三察”),預期會發現數十顆宜居帶行星和超級地球。

根據中國航天科技集團有限公司的發布,中國2030年前后將開展太陽系近鄰宜居行星太空探索計劃——“覓音計劃”。該計劃將通過發射空間飛行器,以直接成像的手段發現和證認太陽系外宜居行星并刻畫其宜居性。

我國載人空間站上將搭載的高對比度系外行星成像儀,利用直接成像法來研究系外行星大氣,提供系外生命的可能線索。

“我們的征途是星辰大海”,這些研究將最終回答‘太陽系是否很特殊’或‘我們在宇宙中是否唯一’等科學問題,并讓人類更深刻地了解地球和太陽系的形成演化過程,以及充分地認識生命的本質和起源,進而更深刻地了解我們自身。

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