為了對(duì)系外行星所具有的大氣類型進(jìn)行分類，來自加拿大、英國(guó)和美國(guó)組成的研究小組通過評(píng)估系外行星大氣層中成分中的哪一個(gè)真正重要并將模型與我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，企圖弄清其大氣層的奧秘。
由于開普勒任務(wù)的成功，我們知道有大量被稱為“熱木星”的系外行星。這些氣態(tài)巨行星的軌道離它們的恒星非常近，以至于它們能達(dá)到極高的溫度。
它們也有奇異的大氣層，這些大氣層包含了很多奇異的東西，比如由氧化鋁和鈦雨構(gòu)成的云。
一組天文學(xué)家已經(jīng)為熱木星繪制了云圖，詳細(xì)描述了我們?cè)谟^察不同的熱木星時(shí)將看到的云和大氣類型。
盡管所有的熱木星都是相似的，但它們確實(shí)有一些不同之處。這些差異決定了我們將在它們的大氣層中看到什么，特別是在接下來的幾年里，隨著我們開發(fā)更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡來觀察它們。
熱木星的質(zhì)量上限大約是13.6倍木星質(zhì)量。在這之上，它會(huì)融合氘，形成褐矮星。它們的軌道周期在1.2 - 111天之間，軌道接近圓形，偏心率低。
（褐矮星）
許多熱木星密度很低，它們被潮汐鎖定在恒星上。它們?cè)诩t矮星周圍很少見，在F型和G型恒星周圍很常見，在K型恒星周圍很少見。
我們知道有這么多熱木星的原因之一是它們很容易被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)它們?cè)诤阈乔懊娼?jīng)過時(shí)，比較小的行星阻擋了更多的光。而且由于它們的軌道周期很短，我們?cè)谟^察時(shí)捕捉到過境現(xiàn)象的幾率相當(dāng)高。
由于熱木星很容易被發(fā)現(xiàn)，并且是將來用天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行大氣觀測(cè)的極好候選者，因此一組天文學(xué)家為它們制作了一張?jiān)茍D。該圖集基本上是在不同的熱木星上可以找到的不同類型的大氣和云的模型。
預(yù)測(cè)開爾文熱木星上常見的云層高度和溫度構(gòu)成成分。(加州大學(xué)伯克利分校 彼得·高)
這個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)來自加拿大、英國(guó)和美國(guó)。第一作者彼得·高是加州大學(xué)伯克利分校的博士后研究員。論文的標(biāo)題是“熱巨系外行星的氣溶膠成分主要由硅酸鹽和碳?xì)浠衔秭步M成”，發(fā)表在《自然天文學(xué)》雜志上。
這項(xiàng)研究背后的想法是對(duì)熱木星所擁有的大氣類型進(jìn)行分類。
正如作者在研究中寫道，“氣溶膠普遍存在于各種溫度、質(zhì)量和年齡的系外行星的大氣中。這些氣溶膠強(qiáng)烈影響著對(duì)系外行星透射、反射和發(fā)射光的觀測(cè)，模糊了我們對(duì)系外行星熱結(jié)構(gòu)和組成的理解?！?/p>
了解熱木星大氣中的氣溶膠將為天文學(xué)家在未來觀察這些大氣提供幫助。
他們寫道:“了解主要的氣溶膠成分有助于解釋系外行星的觀測(cè)結(jié)果，以及對(duì)其大氣理論的理解?！?/p>
他們的工作也與我們太陽(yáng)系中的世界相關(guān)，比如溫度較低的氣態(tài)巨行星木星、土星、天王星和海王星，以及像土衛(wèi)六這樣的衛(wèi)星，大氣濃厚而朦朧。
（氣態(tài)巨行星）
根據(jù)作者的說法，一種云占據(jù)著氣態(tài)巨星的大氣層，無論它們是熱木星還是低溫的巨行星。大氣中含有“液態(tài)或固態(tài)的硅和氧滴液，就像熔融石英或熔砂?！?/p>
第一作者彼得·高在研究中說:“能夠存在于這些高溫大氣中的云，我們并不認(rèn)為它們和太陽(yáng)系中的云一樣。”
“已經(jīng)有模型可以預(yù)測(cè)各種成分，但這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是評(píng)估哪些成分實(shí)際上是重要的，并將該模型與我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較?！?/p>
系外行星的大氣層——實(shí)際上任何與系外行星有關(guān)的一切——一直是天文學(xué)的一個(gè)熱門話題，并且已經(jīng)持續(xù)了大約十年。天文學(xué)家已經(jīng)能夠在星光穿過大氣層時(shí)觀察它們，并確定一些有關(guān)其組成的一些事實(shí)。
例如，2019年，科學(xué)家在一顆系外行星的大氣層中發(fā)現(xiàn)了水蒸氣——甚至可能是雨。2020年，研究人員在一顆被潮汐鎖定的系外行星的夜空大氣層中發(fā)現(xiàn)了熔鐵雨的證據(jù)。
2013年10月，天文學(xué)家在開普勒飛船開普勒7b發(fā)現(xiàn)的首批系外行星之一上發(fā)現(xiàn)了云層覆蓋的證據(jù)。
開普勒-7b(左)與木星(右)的云圖 ?
(美國(guó)國(guó)家航空航天局/噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-加州理工學(xué)院/麻省理工學(xué)院)
但是，對(duì)于每一個(gè)向光譜學(xué)提供大氣秘密的系外行星來說，都有另一個(gè)云層因?yàn)樘?，光譜無法工作。云層過厚，光譜輻射根本無法穿透。這就阻止了天文學(xué)家研究大氣層的深層，那里隱藏著關(guān)于這顆行星的線索。
“我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多云：各種粒子——不是分子，而是小水滴——懸掛在這些大氣層中”高說。
“我們真的不知道它們的成分，但它們正在污染我們的觀測(cè)結(jié)果，從本質(zhì)上來說，這使我們更難評(píng)估水和甲烷等重要分子的組成和豐度?！?/p>
系外行星科學(xué)家試圖理解和解釋他們所看到的這些液滴是什么。他們模擬了氧化鋁，例如剛玉，紅寶石和藍(lán)寶石的成分；熔融鹽，如氯化鉀；氧化硅或硅酸鹽，如石英，沙子的主要成分；以巖石形式存在于地球上的錳或鋅的硫化物；有機(jī)碳?xì)浠衔铩?/p>
高表示，這些奇異的云可能是液體或固體氣溶膠。
這些模型是從圍繞地球大氣層開發(fā)模型中改編而來的，然后擴(kuò)展到像木星這樣的行星上，木星的大氣充滿含有甲烷和氨氣。從那以后，高和其他作者將其擴(kuò)展到溫度高達(dá)2500攝氏度(4600華氏度)的熱木星。
（熱木星）
他們的目標(biāo)是研究由不同原子或分子凝結(jié)液滴而成的不同大氣氣體，這些液滴如何生長(zhǎng)或蒸發(fā)，以及它們?nèi)绾卧诖髿庵袀鬏敗?/p>
高說，他的想法是，“相同的物理原理指導(dǎo)所有類型的云的形成”他還對(duì)金星上的硫酸云進(jìn)行了模擬。
“我所做的就是把這個(gè)模型帶到銀河系的其他部分，使其能夠模擬硅酸鹽云、鐵云和鹽云?！?/p>
但這僅僅是一個(gè)模型。一旦模型被開發(fā)出來，就該對(duì)其進(jìn)行觀察測(cè)試了。我們已經(jīng)對(duì)大約70顆系外行星進(jìn)行了詳細(xì)的大氣觀測(cè)，高和研究團(tuán)隊(duì)將這些模型與其中的30顆進(jìn)行了對(duì)比。
他們的結(jié)果排除了多年來提出的一些更奇異的云類型。這是因?yàn)槟鬯鼈冃枰嗟哪芰俊?/p>
但是其他類型，比如二氧化硅云，很容易凝結(jié)。高和研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)二氧化硅云在一個(gè)相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位:1100開爾文，大約900至2000開爾文之間。
他們還發(fā)現(xiàn)，在高溫木星中最熱的地方，鋁氧化物和鈦氧化物凝結(jié)成高層云，而在大氣層較冷的系外行星上，這些云形成于行星深處，并被較高的硅酸鹽云所掩蓋。
如果這些行星溫度更低，相同的硅酸鹽云則會(huì)在更深處形成，使得上層大氣清澈透明。
高解釋說，根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，最適合大氣研究的熱木星在兩個(gè)溫度范圍內(nèi)：一個(gè)在900K到1400K之間，另一個(gè)在2200K以上。
在這兩個(gè)溫度范圍內(nèi)，上層大氣都是清澈透明的，可以對(duì)大氣進(jìn)行詳細(xì)的觀測(cè)。
“以前曾在許多系外行星的大氣層中測(cè)量過云的存在，但只有當(dāng)我們共同查看一個(gè)大樣本時(shí)，我們才可以分辨大氣中的物理和化學(xué)成分”合著者，英國(guó)布里斯托爾大學(xué)的天體物理學(xué)家漢娜韋克福德表示。
“主要的云就像沙子一樣常見——本質(zhì)上就是沙子——能夠用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)首次測(cè)量云本身的光譜特征將是非常令人興奮的。”
當(dāng)JWST發(fā)射時(shí)，它將極大地推動(dòng)天文學(xué)、宇宙學(xué)和其他空間科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。它將有能力近距離觀察系外行星的大氣層。
但它也能將其強(qiáng)大的紅外探測(cè)器對(duì)準(zhǔn)地球附近的星球，比如木星。我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，一些奇異的云類型存在于木星的低層大氣。
作者事先承認(rèn)，這項(xiàng)研究存在一個(gè)不足之處。他們的模型沒有考慮晝夜的差異，即使熱木星通常是潮汐鎖定在它們的恒星上。
他們寫道:“我們的研究需要注意的一點(diǎn)是，通過使用一維模型，我們沒有考慮溫暖的巨大系外行星的三維特性，這些行星很可能會(huì)被被潮汐鎖定在它們的主恒星上?！?/p>
但是，這可能對(duì)他們的工作結(jié)果沒有太大的總體影響。正如作者所寫的，“這些影響不太可能對(duì)我們的結(jié)論產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，但是，因?yàn)樵趥鬏斨杏^察到的終端平均溫度剖面應(yīng)該比更極端的晝夜剖面更類似于我們?cè)诮Ｖ惺褂玫娜蚱骄拭?。?/p>
在未來，高和他的同事打算用更多的系外行星來測(cè)試他們的模型。高說，“由于有數(shù)千個(gè)系外行星，而木星只有一個(gè)，我們可以研究它們中的一堆，看看平均值是多少，與木星相比如何”
他們還打算研究一些褐矮星。棕矮星本質(zhì)上是氣態(tài)巨星，它們的質(zhì)量如此之大以至于它們幾乎就像恒星一樣，它們也具有大氣層和云層。
加州大學(xué)圣克魯茲分校的喬納森·福特尼說“在研究太陽(yáng)系中的行星大氣層時(shí)，我們通常有圖像背景。太陽(yáng)系外行星就沒有這樣的運(yùn)氣了，它們只是點(diǎn)或影子，”
“這是巨大的信息損失。但我們需要的是填充更大的樣本容量。這讓我們可以根據(jù)行星溫度尋找趨勢(shì)——云量的趨勢(shì)?！行菧囟龋谔?yáng)系沒有的奢侈東西。”
FY：桃子
作者：Universe Today
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