天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)圍繞著其他恒星的巨型行星，有與地球不同的奇異云層，而靠近恒星的氣體巨星（所謂的熱木星）擁有最極端的云層。現(xiàn)在來自美國、加拿大和英國的一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個(gè)模型：

可以預(yù)測(cè)從甲烷煙霧等眾多擬議的云層中，哪些會(huì)出現(xiàn)在溫度不同的熱木星上，最高可達(dá)數(shù)千開爾文(Kelvin)。令人驚訝的是，最常見的云類型，預(yù)計(jì)在很大的溫度范圍內(nèi)：

應(yīng)該由硅和氧的液態(tài)或固態(tài)液滴組成，比如熔化的石英或熔化的沙子。在較冷、較熱的木星上，低于約950開爾文(1250華氏度)的天空主要是碳?xì)浠衔餆熿F。該模型將幫助天文學(xué)家研究這些奇怪而遙遠(yuǎn)系外行星世界大氣中的氣體，因?yàn)樵茖訒?huì)干擾大氣成分的測(cè)量。它還可以幫助行星科學(xué)家了解較冷巨型行星及其衛(wèi)星的大氣層，例如太陽系中的木星和土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六。

其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊上；研究的第一作者、加州大學(xué)伯克利分校博士后研究員彼得·高(Peter Gao)說：在這些炎熱大氣中可能存在的那種云，我們并不真的認(rèn)為是我們太陽系中存在的云。已經(jīng)有預(yù)測(cè)各種成分的模型，但這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是評(píng)估這些成分中哪些確實(shí)重要，并將該模型與我們現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這項(xiàng)研究利用了過去十年來系外行星大氣研究的成果。

盡管系外行星太遠(yuǎn)太暗而看不見，但許多望遠(yuǎn)鏡（特別是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡）能夠聚焦于恒星。并在行星經(jīng)過恒星前面時(shí)捕捉穿過行星大氣層的星光。光譜測(cè)量揭示的被吸收光的波長(zhǎng)，告訴天文學(xué)家大氣由哪些元素組成。到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)和其他技術(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或推斷出水、甲烷、一氧化碳和二氧化碳、鉀和鈉氣體的存在，以及在最熱的行星上，蒸發(fā)的氧化鋁、鐵和鈦的存在。

但是，雖然一些行星似乎有清晰的大氣層和清晰的光譜特征，但許多行星云層完全阻擋了星光的滲透，阻礙了對(duì)上層云層以下氣體的研究。氣體的組成可以告訴天文學(xué)家系外行星是如何形成的，以及生命的基石是否存在于其他恒星周圍。研究發(fā)現(xiàn)了很多云層：某些類型的粒子（不是分子，而是小液滴）懸浮在這些大氣層中。目前還不知道它們是由什么組成的，但它們正在污染天文學(xué)家的觀察，本質(zhì)上使使得更難評(píng)估水和甲烷等重要分子的組成和豐度。

還有紅寶石云

為了解釋這些觀測(cè)，天文學(xué)家們提出了許多奇怪的云類型，包括鋁的氧化物，如紅寶石和藍(lán)寶石的組成材料；熔融的鹽，如氯化鉀；硅氧化物，或硅酸鹽，如沙的主要成分；以巖石形式存在于地球上的錳或鋅的硫化物；以及有機(jī)碳?xì)浠衔?，云可能是液體或固體氣溶膠。研究采用了最初為地球水云創(chuàng)建的計(jì)算機(jī)模型，隨后將其擴(kuò)展到像木星這樣的多云行星大氣中，木星有氨云和甲烷云。

研究將模型進(jìn)一步擴(kuò)展到在熱氣態(tài)巨型行星上看到的更高溫度（高達(dá)2800開爾文，即2500攝氏度）以及在這些溫度下可能凝聚成云的元素。該模型考慮了各種原子或分子的氣體如何凝聚成液滴，這些液滴如何生長(zhǎng)或蒸發(fā)，以及它們是否可能在大氣中被風(fēng)或上升氣流輸送，或因重力而下沉。同樣的物理原理指導(dǎo)著所有類型的云形成，研究還在金星上模擬了硫酸云。把這個(gè)模型擴(kuò)展到銀河系的其他地方，讓它能夠模擬硅酸鹽云、鐵云和鹽云。

然后，預(yù)測(cè)與現(xiàn)有30顆系外行星的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，到目前為止，共有約70顆凌日系外行星，其中30顆具有已記錄的透射光譜。該模型顯示，多年來提出的許多奇異的云很難形成，因?yàn)槟蹥怏w所需的能量太高。然而，硅酸鹽云很容易凝結(jié)，并在1200開爾文的溫度范圍內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位：從900開爾文到2000開爾文。根據(jù)該模型，在最熱的大氣中，氧化鋁和鈦氧化物凝聚成高層云。

在大氣層較冷的系外行星上，這些云在行星更深處形成，并被較高的硅酸鹽云遮擋。在更冷的系外行星上，這些硅酸鹽云也會(huì)在大氣層更深的地方形成，留下清晰的高層大氣。在更低溫度下，來自系外行星所在恒星的紫外光，將甲烷等有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為極長(zhǎng)的碳?xì)滏?，形成類似于煙霧的高級(jí)霧霾。這種煙霧會(huì)遮蔽地勢(shì)較低的氯化鉀或氯化鈉鹽云。對(duì)于那些尋求無云行星以更容易研究大氣中氣體的天文學(xué)家來說：

研究人員建議專注于大約900到1400開爾文之間的行星，或者那些比大約2200開爾文更熱的行星。該研究的合著者、英國布里斯托爾大學(xué)的天體物理學(xué)家漢娜·韋克福德(Hannah Wakeford)說：之前已經(jīng)在許多系外行星大氣中測(cè)量過云的存在，但只有當(dāng)集中觀察大樣本時(shí)，才能分清這些星球大氣中的物理和化學(xué)成分。占主導(dǎo)地位的云層和沙子一樣常見，如果能用即將到來的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)首次測(cè)量云層本身的光譜特征，那將是非常令人興奮的。

未來的觀測(cè)，例如計(jì)劃在2021年發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，應(yīng)該能夠證實(shí)這些預(yù)測(cè)，或許還能揭示離我們更近行星上隱藏的云層。類似的云層可能存在于木星或土星的深處，那里的溫度與熱木星上發(fā)現(xiàn)的溫度接近。因?yàn)橛袛?shù)千顆系外行星，而木星只有一顆，天文學(xué)家可以研究其中的一堆，看看平均是多少，以及與木星相比如何。研究人員計(jì)劃用其他系外行星和棕矮星的觀測(cè)數(shù)據(jù)來測(cè)試這個(gè)模型，棕矮星基本上是氣態(tài)巨行星，質(zhì)量大到幾乎是恒星，它們也有云。

博科園｜研究/來自：加利福尼亞大學(xué)伯克利分校

研究發(fā)表期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-020-1114-3

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