系外行星云层下可能潜藏的水

热木星指的是同木星般大小的系外行星,它们贴近恒星公转,其大气层通常有云雾覆盖。根据《天文物理学》(Astrophysical Journal)中的一项研究所述,这增加了太空望远镜探测云层下方大气中的难度。

来源:NASA/JPL-加州理工

在包括“热木星”的系外行星的研究中,水一直是一个热门的话题,“热木星”们与木星相比,其质量相似,但距离恒星更近。它们的温度高达2000华氏度(1100摄氏度),这意味着这种行星上的水都是水蒸气的形式。

天文学家们已经找到了大量大气中含水的热木星,但其他热木星丝毫没有水存在的迹象。加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California)的科学家们,想要找出这些巨大行星的大气层之间的共同点。

研究人员们集中精力于NASA哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)观测的一批热木星。他们发现大约一半的热木星大气层都被云雾挡住了。

“我们研究的动力是去了解:如果这些行星被分成一组会是什么样子,还有它们的大气层是不是有一些共通的性质,”领导这一研究的Aishwarya Iyer说。他是JPL的实习生,也是加州州立大学北岭分校(California State University, Northridge)的在读硕士生。

《天文物理学》6月1日刊登了新研究,推断说云雾层很有可能是阻碍太空望远镜探测足量大气水的因素。由于行星的环境对于水基云来说太过炎热,所以云本身不太可能由水组成。

“几乎每一颗我们研究的行星都包含云或雾,”lyer说。“在考虑云雾的时候必须要谨慎,否则你可能会呈一倍或两倍地低估系外行星大气中的水含量。”

该研究中,科学家们察看了哈勃太空望远镜先前观测的19颗热木星。该望远镜的广角相机3号(Wide Field Camera 3)已经在其中10颗行星上检测到了大气中的水蒸气,其他的9颗则没有。但这些信息被引用到了十多个研究中。由于每个研究是被分开实行的,对数据的分析和理解都不同。对于这些行星还没有一个广泛适用的分析。

为了比较这些行星并寻找规律,JPL团队只能使数据标准化:研究人员把19颗热木星的数据结合,为这一组行星制作了一个平均的总光谱,再与无大气层的、大气层无云的、含有不同厚度云层的大气模型作比较。

科学家们测定,平均下来对于每颗他们研究了的行星,云雾阻挡了一半的大气。

“在部分行星中,你可以看到在云雾上探出头的水,而在下方很有可能存在更多的水,”Iyer说。

科学家们仍不清楚这些云雾的性质,其中包括它们的组成。

“几乎每一颗行星上都有云雾,这一点令人惊讶,”JPL的博士后,同时也是这项研究的合作者Robert Zellem说。

此研究成果的含义支持了《自然》(Nature)杂志2015年12月14日中刊登的发现。《自然》中发表的研究使用了来自NASA哈勃和斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescopes)的数据,推断热木星上的云雾隐藏了未被检测到的水。而这次的新研究只使用了哈勃这一台太空望远镜的数据,统一地划出了一组热木星的特点,并且首次量化了被云雾遮挡住的大气。

这项新研究的成果可能会给后续研究带来启示,例如将要使用像NASA的韦柏太空望远镜(James Webb Space Telescope)这样的未来太空天文台。对于更加广阔的研究来说,那些带着厚重云层的系外行星是不太理想的目标。

科学家们说,这些成果对于研究行星的形成也有很大的意义。

“这些行星是在它们当今的位置形成的?还是从遥远的主星那移动过来的?如果我们对像水这样的大量存在的分子有了一定的了解,就有助于回答这些问题,”Zellem说。

“这篇论文在系外行星的研究与对它们性质的比较方面,是激动人心的一步,”研究合作者,探索系外行星与JPL科学组主管人Mark Swain说。

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