原標題:哈勃發現擁有發光水氣層的外行星

科學家已經發現了目前能夠證實太陽系外的行星(即外行星)具有平流層的最強證據。平流層是大氣層的一層,溫度隨著海拔高度的上升而升高。

加州矽谷埃姆斯特朗研究中心研究合作者Mark Marley表示,「這是個令人激動的結果,因為它表明太陽系的大部分大氣層所具有的共同特徵——一個溫暖的平流層,在其他外行星大氣中也存在。」「我們現在可以把外行星大氣層中的過程,與我們太陽系在不同情況下發生的同過程進行比較。」

哈勃發現擁有發光水氣層的外行星

這顆行星大氣層的頂部被加熱到熾熱的4600華氏度(2500攝氏度),溫度高到足以煮沸一些金屬。

圖像來源:NASA, ESA, and G. Bacon (STSci)

在《自然》上的發表的研究報告中,科學家們用NASA哈勃望遠鏡傳回的數據分析了WASP-121b。WASP-121b是一種被稱為「熱木星」的外行星。它的質量是木星的1.2倍,半徑是木星的1.9倍,這讓它比木星更膨脹。木星每12年繞太陽旋轉一圈,但是WASP-121b公轉一圈僅需要1.3天。這顆外行星離其母恆星非常接近,如果它再接近一點,其母恆星的重力將會開始把它扯裂。這還意味著這顆行星的大氣層頂部被加熱到熾熱的4600華氏度(2500攝氏度),溫度高到足以煮沸一些金屬。WASP-121星系估計距地球900光年,這是一段很長的距離,但是按照銀河系標準而言,還算近的。

之前的研究發現,WASP-33b和其他幾顆熱木星可能具有平流層的跡象。這個新的研究呈現了目前為止最好的證據,因為科學家們首次發現了熱水分子的標記。

英國埃克塞特大學的首席作者Tom Evans表示:「理論的模型已經表明平流層可能定義了一類迥然不同的超熱行星群,並且富含對其大氣物理學和化學的重要啟示。」「我們的發現支持了這個想法。」

為了研究WASP-121b的平流層,科學家用哈勃望遠鏡的光譜分析能力分析了大氣層中的不同分子是如何對特定波長的光進行反應的。例如,對應某些特定波長的光,大氣層中的水蒸氣在不同溫度下的表現是可預測的。

哈勃發現擁有發光水氣層的外行星

這幅藝術概念圖描繪的是熱木星WASP-121b,它提供了外行星具有平流層的最佳證據。

圖片來源:Engine House VFX,埃克塞特大學布里斯托科學中心

星光能夠深入穿透行星的大氣層,使其氣體的溫度上升。這些氣體將其熱量以紅外光的形式輻射到太空。如果大氣層頂部存在較冷的水蒸氣,水分子將會防止某些波長的光逃逸到太空。但是如果大氣層頂部的水分子溫度較高,它們會在相同的波長發光。

加利福尼亞州帕薩迪納市NASA噴氣推進實驗室的研究合作者,Tiffany Kataria表示,「從水中散發出的光表明平流層的溫度隨著高度的上升而升高。根據哈勃望遠鏡即將發回的數據,我們有望探索出這種特性可維持的經度有多高,這非常振奮人心。」

這個特殊的現象與放煙花相似,通過化學物質放射出光使火焰呈現不同的顏色。當金屬物質加熱蒸發時,它們的電子躍進到更高能的狀態。根據不同的材料,這些電子在失去能量時發射出波長特定的光。比如,鈉發出橘黃-黃色的光,鍶發出紅色的光。相似的,當WASP-121b大氣層中的水分子失去能量時,也釋放出輻射,但輻射形式是人類肉眼無法觀測到的紅外光。

在地球的平流層中,臭氧吸收太陽發出的紫外線輻射,使這一層的溫度升高。太陽系其他的行星也具有平流層,比如木星和土星的衛星泰坦(土衛六Titan),二者的平流層是由甲烷加熱的。

這個360°的動畫描繪了行星WASP-121b,一顆大氣層中有發光水汽的外行星。WASP-121b是一種被稱為『熱木星』的外行星,其大氣層的溫度高到足以煮沸鐵。這顆行星以非常接近其母恆星的軌道運行,位於距地球約900光年的船尾座 (Puppis星座)。

在太陽系行星中的平流層,溫度變化一般在100華氏度(56攝氏度)左右。在WASP-121b上,平流層的溫度上升了1000華氏度(560攝氏度)。科學家現在還不知道是什麼化學物導致了WASP-121b大氣層這樣的溫度飈升。氧化釩和氧化鈦是可能的候選,因為它們在褐矮星中比較常見,這些「失敗的恆星」和外行星存在某些共性。這些化合物預計只可能出現在最熱的熱木星上,因為它們需要高溫來保持氣態。

馬里蘭州格林貝爾特NASA戈達德太空飛行中心,這個項目的合作者Hannah Wakeford表示:「這顆超熱的外行星將會成為我們平流層模型的基準,並且它將成為韋伯望遠鏡時代(Webbera)偉大的觀察目標。」

哈勃望遠鏡是一個由NASA和ESA進行的國際合作項目。馬里蘭州格林貝爾特NASA戈達德太空飛行中心管理望遠鏡。位於馬里蘭州巴爾的太空望遠鏡科學研究所(STScl)負責哈勃望遠鏡的科學運作。STScl由華盛頓天文研究所大學協會為NASA運作。加州理工學院為NASA管理JPL。

編輯:Tony Greicius 翻譯:Galaxyi 校對:王索