為什么有的行星比恒星溫度高？我們開始揭開謎團

木衛(wèi)Kelt-9b行星環(huán)繞其主恒星Kelt-9概念圖（圖源：NASA/JPL-加利福尼亞學(xué)院）

本文原刊登于The Conversation（對話）網(wǎng)站。該網(wǎng)站將文章投稿至Space.com的Expert Voices: Op-Ed & Insights（專家之聲）專欄。

昆廷·昌吉特（Quentin Changeat），倫敦大學(xué)學(xué)院天文學(xué)博士后研究員

比利·愛德華（Billy Edwards），閃熠太空任務(wù)（Twinkle Space Mission）項目科學(xué)家，倫敦大學(xué)學(xué)院天文學(xué)研究員

直到21世紀(jì)初期，人們所知道的行星都位于我們所處的太陽系附近。這些行星大致可以分為兩類：在太陽系內(nèi)的小型巖石行星和太陽系外的冷氣態(tài)行星。隨著系外行星（也就是圍繞除太陽以外的行星）的發(fā)現(xiàn)，更多的行星種類出現(xiàn)了，一幅關(guān)于行星的新畫面開始浮現(xiàn)。我們的太陽系絕不是最典型的星系。

舉個例子，據(jù)開普勒計劃的數(shù)據(jù)顯示，大型氣態(tài)系外行星可以不像太陽系中的行星那樣遠(yuǎn)離太陽，而是能夠非常靠近它們的恒星進(jìn)行軌道運行，這導(dǎo)致它們的溫度能達(dá)到超過1000K（727℃）。這些行星被稱為“熱木星”或“超熱木星”。盡管大多數(shù)系外行星的體積都相對小，通常介于海王星和地球之間，但我們卻對它們的組成知之甚少。

這些高溫氣態(tài)行星到底是如何在距離恒星如此近的范圍內(nèi)形成和存在的呢？這里發(fā)生過何種極端的物理過程？這些問題的答案對我們理解系外行星和太陽系行星具有很大影響。在我們最近發(fā)表于《天體物理學(xué)快報》的研究中，我們?yōu)榻忾_行星形成與演化之謎提供了新線索。

Kelt-9 b行星

目前已知最熱的系外行星是Kelt-9b行星，它于2016年【?。　勘话l(fā)現(xiàn)。Kelt-9b圍繞著一顆比太陽溫度高兩倍的恒星運行，而這兩者的距離卻僅有太陽與水星距離的十分之一。它是一顆巨大的氣態(tài)系外行星，其半徑為木星的1.8倍，溫度高達(dá)5000k（譯者注：4726.85℃）。相比之下，Kelt-9b比宇宙中80%的恒星都熱，與我們的太陽溫度相當(dāng)。

圖解：木星與Klet-9b大小比較。圖源：NASA戈達(dá)德航天中心/Chris Smith (USRA)

從本質(zhì)上講，熱木星是了解極端物理和化學(xué)過程的窗口。它們提供了一個絕佳的機會，讓我們可以在地球上幾乎無法復(fù)制的環(huán)境中研究物理。研究它們有助于我們對化學(xué)和熱過程、大氣動力學(xué)和云形成有更進(jìn)一步理解。了解他們的起源也能夠幫助我們改進(jìn)行星的形成與演化模型。

我們?nèi)栽谂ρ芯啃行鞘侨绾涡纬傻?，以及水等元素是如何被運送到太陽系中的。為了找到答案，我們需要通過觀測系外行星的大氣層來研究其組成。

大氣觀測

研究系外行星的大氣主要有兩種方法。在凌日法中，當(dāng)系外行星在其恒星前方橫越時，我們可以捕捉穿過了行星大氣層的恒星光，借此找到那里存在任何化學(xué)元素的痕跡。

圖解：利用凌日法進(jìn)行觀測。圖源：NASA戈達(dá)德航天中心/Chris Smith (USRA)

另一種方法是利用行星經(jīng)過主恒星后方的期間。這時行星也會發(fā)出和反射一小部分光，因此，通過對比行星在隱藏和可見兩種情況下總光的微小變化，我們可以提取到來自行星的光。

這兩種類型的觀測都是在不同的波長或顏色下進(jìn)行的。由于化學(xué)元素和化合物會吸收和發(fā)射非常特定的波長，因此可以產(chǎn)生一個光譜（按波長分解光），用來推斷其大氣的成分。

Kelt-9b行星的秘密

Kelt-9恒星及超熱行星Kelt-9b的想象圖。（圖源：Robert Hurt/NASA/JPL-加利福尼亞學(xué)院）

在我們的研究中，我們利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲取的公開數(shù)據(jù)得到kelt-9b行星的光譜。

接下來，我們用開源軟件提取分子并發(fā)現(xiàn)其中含有大量金屬（由分子組成）。這是一個很有趣的發(fā)現(xiàn)，因為在此之前人們一直認(rèn)為分子是不會出現(xiàn)在這種極端的溫度之下的——它們應(yīng)該會被分解成更小的化合物。

受主恒星強大引力的影響，kelt-9b行星被“潮汐鎖定”，也就是說行星的一個固定面永遠(yuǎn)只能面朝恒星，這導(dǎo)致了行星的晝夜兩面溫差極大。由于在觀測研究時，探測的數(shù)據(jù)來自溫度更高的白晝面，我們認(rèn)為觀察到的分子實際上是從較低溫區(qū)域（如夜晚面或內(nèi)部深處）通過動力過程而來的。這些觀測結(jié)果表明，這類極端世界的大氣是由我們不熟知的復(fù)雜過程控制的。

圖解：從kelt-9b的視角看向主恒星概念圖。圖源：NASA戈達(dá)德航天中心/Chris Smith (USRA)

Kelt-9b行星之所以有趣，是因為它的傾斜軌道約為80度，這意味它或許曾經(jīng)遭遇過一些激烈的撞擊。事實上，許多這類型行星也發(fā)生過這樣的事情。Kelt-9b行星很可能是在遠(yuǎn)離母星的位置形成的，當(dāng)它向內(nèi)往恒星遷移時卻發(fā)生了碰撞。這為一個理論提供了支持，即大型行星傾向于在原恒星盤中遠(yuǎn)離主恒星處形成（也因此產(chǎn)生了類太陽系），并在向恒星遷移時捕獲氣態(tài)和固態(tài)物質(zhì)。

然而我們無法得知這個過程中的細(xì)節(jié)，所以至關(guān)重要的還是要總結(jié)出這類行星的特征，以便去確認(rèn)各種情況并更好地從整體上了解其發(fā)展歷史。

未來的任務(wù)

像哈勃太空望遠(yuǎn)鏡這樣的天文臺并不是為研究系外行星大氣而設(shè)計的。下一代的太空望遠(yuǎn)鏡，如韋布空間望遠(yuǎn)鏡和“瞪羚號”系外行星探測器，將搭載更好的、專為嚴(yán)格探測系外行星大氣量身打造的功能與儀器。它們將使我們能夠解答許多關(guān)于極熱木星這類行星的基本問題，并且還不僅僅限于此。

圖解：歐洲空間局“瞪羚號”系外行星探測器前往拉格朗日點2想象圖。圖源：ESA/STFC RAL Space/UCL/Europlanet-Science Office

新一代的望遠(yuǎn)鏡還將探測小行星的大氣，這也是目前這一代儀器難以達(dá)到的水平。特別是將在2029年發(fā)射的“瞪羚號”系外行星探測器，它將觀測約1000顆系外行星，以幫助解決系外行星研究中的一些最基本問題。

“瞪羚號”任務(wù)還將是第一個深入研究這些行星大氣層的太空任務(wù)。它最終應(yīng)該能告訴我們這些系外行星是由什么組成，以及它們是如何形成和演化的。這也將會是一場真正的新變革。

BY: Quentin Changeat, Billy Edwards

FY: 兩蚊未幾

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