水和晴空万里,在太阳系外的遥远行星上

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一颗海王星大小的行星,从它的主星前方经过。它的大气足够通透,能够让星光穿过它边缘的大气层,再射入类似哈勃和斯皮策之类的望远镜中,给我们的天文学家提供有关这颗行星大气成分的线索。图片来源:NASA/JPL-Caltech

利用美国航空航天局(NASA)欧洲空间局(ESA)的哈勃空间望远镜、斯皮策空间望远镜和开普勒空间望远镜采集的数据,天文学家在我们的太阳系以外的一颗行星上,发现了万里晴空和水蒸气的存在。这颗行星名为HAT-P-11b,大小与海王星相当,这使得它成为了迄今科学家检测到有水蒸气存在的最小的一颗外星行星。9月24日,这一结果被发表在《自然》(Nature)杂志网站上。

这一发现称得上是一座里程碑,它所指明的这条研究道路的尽头,便是在类似地球这样更小的岩石行星上,能够辨明大气中的分子成分。行星大气中的云层可能会遮挡视线,让我们看不清云层以下的部分。而大气底层的分子构成,又能够揭示关于一颗行星物质构成及演化历史的重要信息。在一颗海王星大小的行星上发现晴朗的天空,这是一个好兆头,表明一些更小的行星或许也可以有类似的良好能见度。

“天文学家夜晚使用望远镜观测时,往往会用‘晴空万里’来祝福好运。”这项研究的第一作者、美国马里兰大学的乔纳森·弗雷纳(Jonathan Fraine)说,“而在这项研究中,我们发现的万里晴空在一颗遥远的行星上。我们运气不错,因为这意味着云层没有遮挡我们看见水分子的视线。”

HAT-P-11b是一颗外星类海王星,即它是一颗海王星大小的行星,绕着其他恒星旋转。它位于天鹅座中,距离地球120光年。与海王星不同,这颗行星距离它的“太阳”非常近,每5天就能完成一圈公转。这是一颗温暖的星球,人们认为它拥有一个岩石核心、一层液体及冰构成的地幔,以及一层厚厚的大气。至于其他,在此之前,关于这颗行星的物质构成,以及其他类似外星类海王星的物质构成,我们并不知道更多。

分析类似这颗行星的大气成分,部分挑战来自于它们的个头。像木星那样更大的行星更容易观测,科学家已经能够从其中一些气态巨行星的大气中检测到水蒸气了。越小的行星就越难探测,而且到目前为止,所有观测过的较小行星,似乎全都阴云密布。

这个研究团队利用了哈勃望远镜上的第3代广域相机,还使用了一种被称为透射光谱(transmission spectroscopy)的技术,来观测一颗行星从它的主星前方经过。从这颗行星边缘的大气中透射过来的星光,也会进入望远镜中。如果存在类似水蒸气的分子,它们就会吸收部分星光,在抵达我们望远镜的星光中留下独特的印迹。

“我们决定看看HAT-P-11b的大气层,不过并不知道那里的天气是否阴云密布。”研究团队成员、英国剑桥大学的尼库·马杜苏丹(Nikku Madhusudhan)说,“利用透射光谱技术,我们可以利用哈勃望远镜检测那颗行星上的水蒸气。这告诉我们,那颗行星上没有能够阻挡视线的厚厚云层,而且很有希望未来我们能够在更多更小且无云的行星上找到并且分析更多的气体分子。”

这幅艺术家笔下的对比图,显示了其他行星上的天空看起来可能是什么模样。左侧是大气中拥有浓厚云层的行星,右侧则是一颗拥有万里晴空的行星。这项新的研究表明,行星HAT-P-11b上的天空很可能像右图一样。正因为没有厚厚云层遮挡住望远镜的视线,天文学家才能从这颗行星的大气中分辨出水蒸气的存在,为这颗行星的物质构成及演化历史提供了信息。图片来源:NASA/JPL-Caltech

不过,在研究团队欢庆胜利之前,他们还必须确认,水蒸气确实来自那颗行星,而非来自那颗主恒星表面上温度较低的黑子。幸运的是,开普勒望远镜已经对着HAT-P-11b所在的天区连续观测了好几年。这些可见数据,再结合斯皮策望远镜专门进行的红外观测,让天文学家确认,那颗恒星上的黑子温度太高,不可能含有任何水蒸气——如此一来,检测到的水蒸气就必定属于那颗行星了。

来自这3台空间望远镜的数据表明,HAT-P-11b被水蒸气、氢气和其他尚未辨明的分子所包裹。理论学家正在建立新的模型,来解释这颗行星的构成及起源。

尽管HAT-P-11b被称为外星类海王星,实际上它跟我们太阳系中的任何一颗行星都不一样。人们认为,外星类海王星可能拥有不同的物质构成,这反映了他们不同的形成历史。诸如此类的新发现能够帮助天文学家拼凑出一个有关这些遥远星球起源的理论。

“我们正按部就班地前进,从热类木星到外星类海王星,”论文合作者、美国马里兰大学的德雷克·戴明(Drake Deming)说,“我们希望把我们的知识扩展到各不相同的一大类外星行星上去。”

这些天文学家计划未来检测更多的外星类海王星,并且希望能够将类似方法应用到更小的超级地球上去。所谓超级地球,是指质量在地球10倍以内的大块头岩石星球。我们的太阳系里没有超级地球,但我们已经在其他恒星周围发现了越来越多的超级地球,预计2018年发射的韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope)将在超级地球上搜寻水蒸气和其他分子的踪迹。不过,找到海洋和潜在宜居星球的迹象,可能还很遥远。

这项研究对未来超级地球甚至更小行星的研究具有重要意义。它让天文学家能够预先挑选出大气足够通透的行星,以便检测那里的气体分子。再一次,天文学家会合上双手,祈求晴空万里。(编辑:Steed)

 

编译来源 spacetelescope.org,Clear skies on exo-Neptune

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