【天文問答】為什麼有的行星比恒星還燙?科學家將解開謎團

漫酱~ 2022/12/23 檢舉 我要評論

為什麼有的行星比恒星溫度高?我們開始揭開謎團

木衛Kelt-9b行星環繞其主恒星Kelt-9概念圖(圖源:NASA/JPL-加利福尼亞學院)

本文原刊登于The Conversation(對話)網站。該網站將文章投稿至Space.com的Expert Voices: Op-Ed & Insights(專家之聲)專欄。

昆廷·昌吉特(Quentin Changeat),倫敦大學學院天文學博士后研究員

比利·愛德華(Billy Edwards),閃熠太空任務(Twinkle Space Mission)項目科學家,倫敦大學學院天文學研究員

直到21世紀初期,人們所知道的行星都位于我們所處的太陽系附近。這些行星大致可以分為兩類:在太陽系內的小型巖石行星和太陽系外的冷氣態行星。隨著系外行星(也就是圍繞除太陽以外的行星)的發現,更多的行星種類出現了,一幅關于行星的新畫面開始浮現。我們的太陽系絕不是最典型的星系。

舉個例子,據開普勒計劃的數據顯示,大型氣態系外行星可以不像太陽系中的行星那樣遠離太陽,而是能夠非常靠近它們的恒星進行軌道運行,這導致它們的溫度能達到超過1000K(727℃)。這些行星被稱為「熱木星」或「超熱木星」。盡管大多數系外行星的體積都相對小,通常介于海王星和地球之間,但我們卻對它們的組成知之甚少。

這些高溫氣態行星到底是如何在距離恒星如此近的范圍內形成和存在的呢?這里發生過何種極端的物理過程?這些問題的答案對我們理解系外行星和太陽系行星具有很大影響。在我們最近發表于《天體物理學快報》的研究中,我們為解開行星形成與演化之謎提供了新線索。

Kelt-9 b行星

目前已知最熱的系外行星是Kelt-9b行星,它于2016年【!!】被發現。Kelt-9b圍繞著一顆比太陽溫度高兩倍的恒星運行,而這兩者的距離卻僅有太陽與水星距離的十分之一。它是一顆巨大的氣態系外行星,其半徑為木星的1.8倍,溫度高達5000k(譯者注:4726.85℃)。相比之下,Kelt-9b比宇宙中80%的恒星都熱,與我們的太陽溫度相當。

圖解:木星與Klet-9b大小比較。圖源:NASA戈達德航天中心/Chris Smith (USRA)

從本質上講,熱木星是了解極端物理和化學過程的窗口。它們提供了一個絕佳的機會,讓我們可以在地球上幾乎無法復制的環境中研究物理。研究它們有助于我們對化學和熱過程、大氣動力學和云形成有更進一步理解。了解他們的起源也能夠幫助我們改進行星的形成與演化模型。

我們仍在努力研究行星是如何形成的,以及水等元素是如何被運送到太陽系中的。為了找到答案,我們需要通過觀測系外行星的大氣層來研究其組成。

大氣觀測

研究系外行星的大氣主要有兩種方法。在凌日法中,當系外行星在其恒星前方橫越時,我們可以捕捉穿過了行星大氣層的恒星光,借此找到那里存在任何化學元素的痕跡。

圖解:利用凌日法進行觀測。圖源:NASA戈達德航天中心/Chris Smith (USRA)

另一種方法是利用行星經過主恒星后方的期間。這時行星也會發出和反射一小部分光,因此,通過對比行星在隱藏和可見兩種情況下總光的微小變化,我們可以提取到來自行星的光。

這兩種類型的觀測都是在不同的波長或顏色下進行的。由于化學元素和化合物會吸收和發射非常特定的波長,因此可以產生一個光譜(按波長分解光),用來推斷其大氣的成分。

Kelt-9b行星的秘密

Kelt-9恒星及超熱行星Kelt-9b的想象圖。(圖源:Robert Hurt/NASA/JPL-加利福尼亞學院)

在我們的研究中,我們利用哈勃太空望遠鏡獲取的公開數據得到kelt-9b行星的光譜。

接下來,我們用開源軟件提取分子并發現其中含有大量金屬(由分子組成)。這是一個很有趣的發現,因為在此之前人們一直認為分子是不會出現在這種極端的溫度之下的——它們應該會被分解成更小的化合物。

受主恒星強大引力的影響,kelt-9b行星被「潮汐鎖定」,也就是說行星的一個固定面永遠只能面朝恒星,這導致了行星的晝夜兩面溫差極大。由于在觀測研究時,探測的數據來自溫度更高的白晝面,我們認為觀察到的分子實際上是從較低溫區域(如夜晚面或內部深處)通過動力過程而來的。這些觀測結果表明,這類極端世界的大氣是由我們不熟知的復雜過程控制的。

圖解:從kelt-9b的視角看向主恒星概念圖。圖源:NASA戈達德航天中心/Chris Smith (USRA)

Kelt-9b行星之所以有趣,是因為它的傾斜軌道約為80度,這意味它或許曾經遭遇過一些激烈的撞擊。事實上,許多這類型行星也發生過這樣的事情。Kelt-9b行星很可能是在遠離母星的位置形成的,當它向內往恒星遷移時卻發生了碰撞。這為一個理論提供了支持,即大型行星傾向于在原恒星盤中遠離主恒星處形成(也因此產生了類太陽系),并在向恒星遷移時捕獲氣態和固態物質。

然而我們無法得知這個過程中的細節,所以至關重要的還是要總結出這類行星的特征,以便去確認各種情況并更好地從整體上了解其發展歷史。

未來的任務

像哈勃太空望遠鏡這樣的天文台并不是為研究系外行星大氣而設計的。下一代的太空望遠鏡,如韋布空間望遠鏡和「瞪羚號」系外行星探測器,將搭載更好的、專為嚴格探測系外行星大氣量身打造的功能與儀器。它們將使我們能夠解答許多關于極熱木星這類行星的基本問題,并且還不僅僅限于此。

圖解:歐洲空間局「瞪羚號」系外行星探測器前往拉格朗日點2想象圖。圖源:ESA/STFC RAL Space/UCL/Europlanet-Science Office

新一代的望遠鏡還將探測小行星的大氣,這也是目前這一代儀器難以達到的水平。特別是將在2029年發射的「瞪羚號」系外行星探測器,它將觀測約1000顆系外行星,以幫助解決系外行星研究中的一些最基本問題。

「瞪羚號」任務還將是第一個深入研究這些行星大氣層的太空任務。它最終應該能告訴我們這些系外行星是由什麼組成,以及它們是如何形成和演化的。這也將會是一場真正的新變革。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁
用戶評論
你可能會喜歡