公轉(zhuǎn)周期才幾天，什么是系外行星？

為什么系外行星不能直接觀測？

超熱系外行星：遮天蔽日的暗紅色云層，閃閃發(fā)光的雨滴傾瀉而下。

這是超熱系外行星 WASP-76b 的藝術(shù)構(gòu)想圖，其熱度足以讓金屬氣化。圖源：M·科恩梅塞爾（M. Kornmesser）/歐洲南方天文臺。

超熱系外行星有著奇異而狂野的大氣層

超熱木星是一種系外行星，因其物理性質(zhì)和木星相似而得名，圍繞著一顆和太陽不同的恒星運(yùn)行，這顆恒星溫度非常高，高到能把超熱木星大氣層里的分子都完全分解開。

它們有著銀河系中最極端的環(huán)境，繞著其母恒星（parent stars）公轉(zhuǎn)一圈也僅需要幾天，天文學(xué)家至今不知道它們要如何才能形成。

雖然這些嚴(yán)酷的條件聽起來已經(jīng)夠極端了，但天文學(xué)家開始意識到，這些條件可能僅僅是冰山一角（其實(shí)該說火山一角）。在《天體物理學(xué)雜志快報》（The Astrophysical Journal Letters）最近發(fā)表的一篇研究中，我同事和我發(fā)現(xiàn)，在這些異乎尋常的星球中，有一顆比我們原來想的要極端得多。

超熱系外行星 WASP-76b

WASP-76b 發(fā)現(xiàn)于2016年，可能是這些超熱系外星球中最為人熟知的，體積是我們木星的兩倍大，白天的溫度竟高達(dá)2400攝氏度（4400華氏度），圍繞其母恒星公轉(zhuǎn)一圈的時間還不到兩天。然而它之所以成名天下，是因?yàn)?020年的一份研究認(rèn)為，這顆行星的天空，可能真的在下鐵雨。

最近一些還有待同行評議的研究，則對這篇研究提出質(zhì)疑?？墒俏阌怪靡?，WASP-76b 的環(huán)境和地球完全沒有一點(diǎn)相似，這就給我們打開了一扇窗，讓我們能了解銀河系中最極端的物理化學(xué)過程，而研究 WASP-76b 嚴(yán)酷的外星環(huán)境，也能幫我們確定太陽系的周遭環(huán)境。

微紅色帶條紋的行星圍繞著一顆巨大的恒星運(yùn)行，距離很近。

這是一顆熱木星的藝術(shù)概念圖，和 WASP-76b 類似，在恒星眾多而古老的銀河星團(tuán)梅西耶67（Messier 67）中，這顆熱木星圍繞著其中一顆恒星運(yùn)行，距離很近。圖源： L·凱爾薩德（L. Cal?ada）/歐洲南方天文臺。

大氣層知識

不幸的是，哪怕是研究像 WASP-76b 這樣巨大的系外行星，也常常是說起來簡單做起來難。4500顆已發(fā)現(xiàn)的系外行星都離我們非常非常遙遠(yuǎn)，而且它們的母恒星都很亮，發(fā)出的亮光把系外行星發(fā)出的光都掩蓋掉了。

我們沒有直接去觀測系外行星，相反，經(jīng)常被迫找別的辦法來推測出它們的存在。實(shí)際上，絕大部分我們發(fā)現(xiàn)的系外行星，都是用這種我們找出的間接方法發(fā)現(xiàn)的。不止如此，我們也可以用這些間接方法去觀測系外行星的大氣層，

這方法叫凌日光譜學(xué)（transit spectroscopy），具體如下。系外行星在其母恒星前經(jīng)過或凌日時，恒星發(fā)出的光會透過系外行星的大氣層。不同的大氣層氣體，會在恒星的光上留下獨(dú)特的化學(xué)印記，就像指紋一樣，再去研究這些指紋，我們就能了解到存在的是哪種氣體。這就能幫助我們弄清楚，系外行星上的環(huán)境到底是什么樣子。

理論上來說，任何有大氣層的系外行星都適用此方法，但是用在那些大氣層又熱又脹的系外行星上，效果最好。巨大而膨脹的大氣層，會在恒星的光上留下更強(qiáng)烈的化學(xué)印記，我們也就更容易觀測到印記。

這正是為何我們團(tuán)隊(duì)要選 WASP-76b 觀測，我們的新 ExoGemS（雙子座光譜學(xué)系外行星）勘測計(jì)劃，觀測的首顆系外行星就是它。此勘測計(jì)劃由康奈爾大學(xué)的杰克·特納（Jake Turner）、雷·賈亞瓦爾德哈納（Ray Jayawardhana）和安德魯·里登哈珀（Andrew Ridden-Harper）領(lǐng)導(dǎo)，其目標(biāo)是用夏威夷的北雙子座望遠(yuǎn)鏡（the Gemini North telescope），觀測40多個系外行星的大氣層。

日落時分，在荒蕪的山頂上，研究人員站立在巨大的天文臺穹頂旁。

ExoGemS 勘測計(jì)劃，打算用夏威夷的北雙子座望遠(yuǎn)鏡，觀測40多顆系外行星。圖源：梅爾塞斯（Mailseth）/維基共享。

極端的大氣層

在此項(xiàng)特別研究中，WASP-76b 運(yùn)行到其母恒星前有4小時，我們在這段時間對其進(jìn)行了觀測。我們搜尋其大氣層中的金屬留下的印記，因?yàn)樵谶@種極度高溫下，金屬就會氣化成氣體。

我們過去多次觀測了 WASP-76b，但是相比于之前發(fā)表的結(jié)果，我們用北雙子座望遠(yuǎn)鏡看到了光波長中更紅的那部分波長。這意味著我們可以搜尋到更多化學(xué)指紋，更清楚地了解這顆極端星球的奇異構(gòu)成，這是先前的研究所不能的。

我們立刻發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中紅外波長的光，有三次連貫的強(qiáng)烈吸收特征。我們認(rèn)出這是離子鈣的化學(xué)指紋，鈣原子失去一個電子形成離子鈣，而且這信號太強(qiáng)烈了，強(qiáng)到能讓我們在這顆系外行星繞著其母恒星運(yùn)行時，也能確實(shí)觀察到信號在移動。

大量離子鈣

在 WASP-76b 上發(fā)現(xiàn)鈣并不值得大驚小怪；今年早些時候，就探測到了一組不同的鈣信號。真正讓我們吃驚的是，離子鈣的數(shù)量實(shí)在太多了，比我們?nèi)魏卫碚撃Ｐ皖A(yù)測的都要多好多。

所以這是怎么回事?。坑幸环N可能是，WASP-76b 大氣層的溫度甚至比2400攝氏度（4400華氏度）還要高，這是我們先前估計(jì)的溫度。在這種極端高溫下，普通鈣原子的電子會剝落下來，溫度越高，這一反應(yīng)發(fā)生的頻率越快。

另一種可能是，有種強(qiáng)有力的風(fēng)，把系外行星深處的離子鈣吹了出來。一份最近發(fā)表的研究顯示，WASP-76b 上的風(fēng)速實(shí)際高達(dá)22千米每秒（幾乎等于50000英里每小時）。這是什么概念啊，地球上最快的風(fēng)，測出也不到1千米每秒。

無巧不成書，另一組天文學(xué)家用西班牙的卡拉阿托天文臺（the Calar Alto Observatory），也在紅外光中探測到了同樣的離子鈣信號，跟我們的數(shù)據(jù)類似，他們數(shù)據(jù)中的離子鈣也比預(yù)期的多。顯而易見，WASP-76b 大氣層中發(fā)生的事情，比我們想的要多得多。

奇異而狂野的大氣層

從夏威夷的北雙子座望遠(yuǎn)鏡，到智力的甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope），一直到外太空的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（Hubble Space Telescope），幾乎所有主要的天文望遠(yuǎn)鏡都觀測過 WASP-76b。其大氣層正發(fā)生什么就是張神秘的拼圖，而要把這張拼圖拼起來，我們需要等待詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope）的觀測結(jié)果，此望遠(yuǎn)鏡非常厲害，嶄新出廠，定于2021年12月發(fā)射。

同時，我們的 ExoGemS 勘測計(jì)劃，也會讓我們在地球上繼續(xù)調(diào)查幾十顆系外行星的大氣層，其中有很多大氣層從沒被描述過。毫無疑問，我們會揭示出很多很多秘密，而 WASP-76b 那奇異而狂野的大氣層，只是這一切的開始。

埃米莉·戴蓓特，在多倫多大學(xué)天文學(xué)和天體物理學(xué)系攻讀博士學(xué)位。

本文根據(jù)知識共享許可協(xié)議從《對話》（The Conversation）轉(zhuǎn)載。

一句話：超熱系外行星 WASP-76b 有著奇異而狂野的大氣層，是銀河系環(huán)境最極端的星球之一。

BY: Emily Deibert

FY: redbeard305050

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