2022年03月03日 10:19
新浪科技
研究人員思考的一個重大問題是，對於像WASP-121b這樣的超高溫行星，其黑暗的「夜面」會發生什麼？
新浪科技訊 北京時間3月3日消息，據國外媒體報道，天文學家已經在太陽系以外發現了許多圍繞其他恒星運行的行星，這些星球與太陽系的行星非常不同。在系外行星中，有許多是大型的氣態行星，它們的體積與木星大致相當，圍繞其母恒星運行一周的時間僅有數天。
這些系外氣體巨行星被稱為「熱木星」，它們通常隱沒在母恒星發出的光芒中，無法被我們直接觀察到。不過，它們卻是用淩日法最容易探測到的行星。淩日法是一種間接推斷系外行星存在的方法，當一顆行星經過母恒星前方（這一過程稱為「淩」）時，觀測者會觀測到恒星的視覺亮度會略微下降。
在淩日過程中，天文學家還可以探測穿過行星大氣層的星光中的不同氣體，從而測量其大氣成分。但是，這只能提供該行星某一區域的情況。在一項關於系外行星WASP-121b的新研究中，天文學家對一顆熱木星的全球大氣情況進行了分析，呈現了前所未有的細節。
對於運行軌道非常靠近母恒星的行星，其一面會永遠處於白天，另一面則永遠處於黑夜。這類行星「晝面」的溫度可以達到極高，有時甚至超過了最冷的恒星的溫度，具體情況取決於行星軌道與恒星的距離。天文學家可以計算出恒星和行星的總光量，與恒星本身的光量進行比較，從而測量出行星晝面的溫度。
WASP-121b於2015年被超廣角尋找行星（SuperWASP）望遠鏡發現。它的白天溫度超過226.85攝氏度。氣態巨行星主要由氫分子和氦分子組成，還有少量其他氣體，如水蒸氣。然而，在WASP-121b如此極端的溫度下，分子會分裂成獨立的原子，電子甚至可以從原子核中剝離出來，導致與其他行星截然不同的大氣化學特征。
研究人員思考的一個重大問題是，對於像WASP-121b這樣的超高溫行星，其黑暗的「夜面」會發生什麼？這一側沒有任何星光，只能永遠面對著冰冷的太空深處。使夜面升溫的唯一方法是通過行星大氣層中的風，將晝面的熱量輸送過來。但研究人員預計，對於最熱的系外氣態巨行星而言，即使能刮起很強力的風，其晝面和夜面之間也會有巨大的溫度差異，這很可能會對大氣中的化學過程產生連鎖反應。
要想知道WASP-121b的夜面究竟發生了什麼，唯一的辦法就是至少在一圈完整軌道上對該行星及其母恒星進行綜合觀測。當行星的不同表面旋轉進入視野時，天文學家就可以測量來自該系統的不同波長光線的微小變化。
通過測量，研究人員得以繪制該行星表面的氣體層，並比較氣體層在白天和黑夜的情況。目前，這種方法只可能適用於少數幾顆行星，因為所要搜尋的信號實在太小了。不過，天文學家對未來的探測感到樂觀，利用新近發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），研究人員將可以更廣泛地應用這一方法。
研究團隊使用哈勃太空望遠鏡對系外行星WASP-121b進行了兩個完整軌道的觀測，並對其大氣層進行了測量。他們通過哈勃太空望遠鏡上的一個儀器來觀察光譜的近紅外部分，這部分對該行星大氣層中的水蒸氣十分敏感。研究人員將軌道每一階段的觀測數據與計算機生成的模型進行了比較，以測量存在的水蒸氣含量，以及此階段大氣中不同高度的溫度。
水循環和雲
研究人員發現，系外行星WASP-121b晝夜之間的溫度相差超過1000K（726.85攝氏度）：夜面大約為1500K（1226.85攝氏度），海拔更高的晝面溫度則遠超過2500K（2226.85攝氏度）。這種極端的溫差使得晝面的水蒸氣量少於夜面，因為氣體分子會在晝面的極端溫度下分解，但當空氣移動到夜面冷卻時，分子又會重新組合。
這意味著WASP-121b具有類似水循環的特征。不過，在WASP-121b上，水並不像在地球上那樣先凝結成液體，然後在蒸發成氣體之前形成雲；相反地，該行星的水分子本身會經曆被分解，然後再重新形成的過程。
這並不是說WASP-121b就沒有雲。至少在這顆行星的夜面，由於溫度足夠低，足以使礦物質（在地球上，礦物質通常是固體岩石中發現的化合物，但在超熱行星的大氣中，已經探測到礦物質可以作為氣體存在）會凝結並形成雲層。WASP-121b夜面的天空甚至可能布滿了紅寶石或藍寶石，因為研究人員的測量結果顯示，夜面的大氣溫度很適合剛玉（形成寶石的礦物）凝結成細小的塵埃顆粒。
觀察系外行星WASP-121b的水循環有助於證實研究人員對極端高溫行星的一些預測，也提供了更多的機會，使天文學家能了解大氣層在這些極端條件下的變化。下一步，研究人員將對更多的行星進行同樣的測量，並比較所獲得的結果。也許詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能夠幫助他們做到這一點，並重複對WASP-121b的測量結果，以獲得更清晰的圖像。（任天）
