畫家對(duì)KELT-9 b的想象圖，橙色的球體圍繞著一顆藍(lán)色恒星運(yùn)行。 圖源：作者Léa Changeat提供

直到21世紀(jì)初，我們所知的行星都位于我們的周圍——太陽(yáng)系。它們大致分為兩類：位于太陽(yáng)系內(nèi)部的小型巖石行星和位于太陽(yáng)系外部的寒冷氣態(tài)行星。隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)，即圍繞除太陽(yáng)以外的恒星運(yùn)行的行星，又發(fā)現(xiàn)了其他種類的行星，一幅新的畫面開(kāi)始浮現(xiàn)。我們的太陽(yáng)系絕不是最典型的星系。

例如，開(kāi)普勒任務(wù)的數(shù)據(jù)顯示，大型氣態(tài)系外行星不像太陽(yáng)系行星那樣離恒星很遠(yuǎn)，它們的運(yùn)行軌道可以離恒星很近，這導(dǎo)致它們的溫度超過(guò)1000K（727°C）。這些系外行星被稱為“熱”或“超熱”木星。盡管大多數(shù)系外行星都比較小，大小介于海王星和地球之間，但我們對(duì)它們的組成知之甚少。

但是，熾熱的氣態(tài)行星是如何在離恒星如此近的地方形成和存在的呢？這里發(fā)生了什么樣的極端物理過(guò)程？這些問(wèn)題的答案對(duì)我們理解系外行星和太陽(yáng)系行星有很大的影響。在我們發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通訊》上的研究中，我們?yōu)樾行堑男纬珊脱莼i增添了新的線索。

Kelt-9 b

目前已知最熱的系外行星是2016年發(fā)現(xiàn)的Kelt-9 b。Kelt-9 b繞著一顆溫度是太陽(yáng)兩倍的恒星運(yùn)行，兩者的距離是水星與太陽(yáng)距離的十倍。它是一顆巨大的氣態(tài)系外行星，半徑是木星的1.8倍，溫度達(dá)到5000K。這比宇宙中80%的恒星都要熱，溫度與太陽(yáng)接近。

KELT-9 / HD 195689的位置——非常接近天鵝座中的Cygnus。 圖片來(lái)源：由CARTES DU CEIL / JAMIE CARTER提供

本質(zhì)上，熱木星是了解極端物理和化學(xué)過(guò)程的窗口。它們提供了一個(gè)絕佳的機(jī)會(huì)，可以在地球上幾乎不可能復(fù)制的環(huán)境中研究物理。研究它們可以加深我們對(duì)化學(xué)和熱過(guò)程、大氣動(dòng)力學(xué)和云形成的理解。了解它們的起源也可以幫助我們改進(jìn)行星的形成和演化模型。

我們?nèi)栽谂μ綄ば行鞘侨绾涡纬傻?，以及水等元素是如何進(jìn)入我們的太陽(yáng)系的。為了找到答案，我們需要通過(guò)觀察它們的大氣層來(lái)了解更多關(guān)于系外行星的組成。

大氣的觀測(cè)

研究系外行星大氣主要有兩種方法。在凌日法中，我們可以捕捉到當(dāng)這顆系外行星從其主恒星前面經(jīng)過(guò)時(shí)穿過(guò)其大氣層的恒星光，從而揭示出那里存在的任何化學(xué)元素的痕跡。

研究行星的另一種方法是在“掩星”期間，當(dāng)它從其主恒星后面經(jīng)過(guò)時(shí)。行星也發(fā)出并反射一小部分光，因此，通過(guò)比較隱藏和可見(jiàn)的行星總光的微小變化，我們可以提取來(lái)自行星的光。

這兩種類型的觀測(cè)都是在不同的波長(zhǎng)或顏色下進(jìn)行的，而且由于化學(xué)元素和化合物吸收和發(fā)射的波長(zhǎng)都是非常特定的，因此可以產(chǎn)生一個(gè)光譜(按照波長(zhǎng)分解光)來(lái)推斷行星大氣的組成。

Kelt-9 b的秘密

在我們的研究中，我們使用了由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡獲取的公開(kāi)數(shù)據(jù)，來(lái)獲得這顆行星的掩星光譜。

然后，我們使用開(kāi)源軟件提取分子的存在，發(fā)現(xiàn)有大量的金屬(由分子組成)。這一發(fā)現(xiàn)很有趣，因?yàn)橹叭藗冋J(rèn)為這些分子在如此極端的溫度下不會(huì)存在——它們會(huì)分解成更小的化合物。

由于受到來(lái)自其主恒星的強(qiáng)大引力，Kelt-9b被“潮汐鎖定”，這意味著行星的同一面永遠(yuǎn)面對(duì)著恒星。這就導(dǎo)致了行星白晝面和夜晚面溫差很大。由于掩星法觀測(cè)的是更熱的白晝面，我們認(rèn)為觀測(cè)到的分子實(shí)際上可能被來(lái)自較冷區(qū)域（如夜晚面）或行星內(nèi)部較深區(qū)域，通過(guò)動(dòng)力過(guò)程轉(zhuǎn)移而來(lái)。這些觀測(cè)結(jié)果表明，這些極端世界的大氣是由復(fù)雜的過(guò)程所控制的，而我們對(duì)此知之甚少。

畫家對(duì)繞其母星運(yùn)行的Kelt-9 b的想象圖。 圖片來(lái)源：NASA/JPL-Caltech

Kelt-9b很有趣，因?yàn)樗膬A斜軌道約為80度，這意味著其過(guò)去可能遭遇過(guò)撞擊。事實(shí)上，這種現(xiàn)象也存在于這類行星的其它許多成員中。這顆行星很可能是在遠(yuǎn)離母星的地方形成的，當(dāng)它向恒星內(nèi)部遷移時(shí)發(fā)生了碰撞。這支持了這樣一種理論，即大行星傾向于在原行星盤中遠(yuǎn)離其主恒星形成——其產(chǎn)生太陽(yáng)系——在它們向恒星遷移時(shí)捕獲氣體和固體物質(zhì)。

但我們不知道其發(fā)生的細(xì)節(jié)。因此，描述這些天體的特征對(duì)于確認(rèn)各種情況和更好地理解它們的歷史是至關(guān)重要的。

未來(lái)任務(wù)

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡等天文臺(tái)并不是設(shè)計(jì)來(lái)研究系外行星大氣。下一代太空望遠(yuǎn)鏡，例如James Webb太空望遠(yuǎn)鏡和Ariel任務(wù)，將具有專為嚴(yán)格觀測(cè)系外行星大氣而量身定制的更好的功能和儀器。它們將使我們能夠解答關(guān)于極熱木星行星類的許多基本問(wèn)題，但并不僅限于此。

新一代的望遠(yuǎn)鏡還將探測(cè)小行星的大氣層，這是目前儀器難以到達(dá)的一類。尤其是預(yù)計(jì)于2029年發(fā)射的Ariel，它將觀測(cè)大約1000顆系外行星，以解決系外行星科學(xué)中的一些最基本的問(wèn)題。

Ariel還將是第一個(gè)深入研究這些星球大氣層細(xì)節(jié)的太空任務(wù)。它最終會(huì)告訴我們這些系外行星是由什么組成的以及它們是如何形成和演化的。這將是一場(chǎng)真正的革命。

撰文：Quentin Changeat，倫敦大學(xué)學(xué)院天文學(xué)博士后研究員；Billy Edwards，倫敦大學(xué)學(xué)院天文學(xué)研究員。

翻譯：楊小莉

審校：王藝靜

引進(jìn)來(lái)源：theconversation

引進(jìn)鏈接：https://theconversation.com/how-can-some-planets-be-hotter-than-stars-weve-started-to-unravel-the-mystery-156427