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天文学家为类似木星的炽热系外行星创建云图集

更新时间:2020-09-13 13:14点击:

  太阳系中的巨型行星和环绕其他恒星的行星具有奇异的云,这与地球上的任何事物都不一样,而围绕它们的恒星运行的气体巨人(即所谓的热木星)则是最极端的。

天文学家为类似木星的炽热系外行星创建云图集

  来自美国,加拿大和英国的一组天文学家现在提出了一个模型,该模型可以预测从蓝宝石到雾霾甲烷等多种拟议云中的哪种,期望在不同温度的热木星上达到千度开尔文。

  出乎意料的是,预期在较大温度范围内的最常见的云类型应由硅和氧的液态或固态液滴组成,例如熔融石英或熔融沙子。在温度较低的木星上,开尔文温度低于950开氏温度(1,250华氏度)时,天空主要是碳氢化合物雾霾,基本上是烟雾。

  该模型将帮助天文学家研究这些陌生而遥远世界的大气中的气体,因为云干扰了大气成分的测量。它还可以帮助行星科学家了解我们太阳系中较凉的巨型行星及其卫星的大气,例如木星和土星的卫星土卫六。

  加州大学伯克利分校的博士后研究员彼得·高(Peter Gao)说:“在这些炎热的大气层中可能存在的云是我们并没有真正想到的是太阳系中的云。”一篇描述该模型的论文于5月25日发表在“自然天文学”杂志上。“有模型可以预测各种成分,但是这项研究的重点是评估这些成分中的哪一种实际上很重要,并将该模型与我们拥有的可用数据进行比较。”

  这项研究利用了近十年来系外行星大气研究的繁荣。尽管系外行星太遥远且昏暗而看不见,但许多望远镜(尤其是哈勃太空望远镜)能够聚焦于恒星,并捕获穿过行星大气层的恒星光,因为它们在恒星前经过。光谱测量揭示的被吸收的光的波长告诉天文学家哪些元素构成了大气。迄今为止,该技术和其他技术已经发现或推断出水,甲烷,一氧化碳和二氧化碳,钾和钠气体的存在,并且在最热的行星中,还存在汽化的氧化铝,铁和钛。

  但是,尽管有些行星似乎具有清晰的大气层和清晰的光谱特征,但许多行星上的云层完全阻挡了星光的过滤,从而阻止了对高层云层以下气体的研究。气体的成分可以告诉天文学家系外行星的形成方式以及其他恒星周围是否存在生命的构成要素。

  高说:“我们发现了很多云:在这些大气层中悬挂的某些粒子,不是分子,而是小液滴。”“我们真的不知道它们的成分,但是它们正在污染我们的观察结果,从本质上来说,这使我们更难评估水和甲烷等重要分子的组成和丰度。”

  为了解释这些发现,天文学家提出了许多奇怪类型的云,它们由氧化铝组成,例如刚玉,红宝石和蓝宝石。熔融盐,例如氯化钾;沙子的主要成分是氧化硅或硅酸盐,例如石英;以岩石形式存在于地球上的锰或锌的硫化物;和有机碳氢化合物。高说,云层可以是液体或固体气溶胶。

  Gao修改了计算机模型,最初是为地球的水云创建的,后来又扩展到了像木星这样的行星的阴天大气层,木星上有氨和甲烷云。他将模型进一步扩展到高温气体巨型行星上所见的更高温度(高达2800开尔文或4600华氏度(2,500摄氏度)),并且这些元素在这些温度下可能凝结成云。

  该模型考虑了各种原子或分子的气体如何凝结成小滴,这些小滴如何生长或蒸发,以及它们是否很可能因风或上升气流在大气中运输,或由于重力而下沉。

  高说,他的想法是,相同的物理原理指导所有类型的云的形成。他还对金星上的硫酸云进行了建模。“我所做的就是将这个模型带到银河系的其余部分,使其能够模拟硅酸盐云,铁云和盐云。”

  然后,他将自己的预测结果与迄今已记录的透射光谱的总共约70个正在运行的系外行星中的30个系外行星的可用数据进行了比较。

  该模型显示,多年来提出的许多奇异云很难形成,因为冷凝气体所需的能量太高。但是,硅酸盐云很容易凝结,并在1200开氏温度范围内起作用:大约900至2,000开氏温度。那是大约华氏2,000度的范围。

  根据该模型,在最热的大气层中,氧化铝和氧化钛会凝结成高空云。在大气温度较低的系外行星中,这些云团形成于地球深处,并被较高的硅酸盐云团所遮盖。在更凉爽的系外行星上,这些硅酸盐云也会在大气中形成更深的区域,从而留下清晰的高层大气。在更低的温度下,系外行星恒星发出的紫外线将甲烷等有机分子转化为极长的烃链,形成类似于烟雾的高雾度。这种烟雾可以遮盖较低位置的钾盐或氯化钠盐云。

  对于那些寻求无云星球以更轻松地研究大气中气体的天文学家来说,高建议把重点放在大约900至1,400开尔文或比2200开尔文高的行星上。

  合著者汉娜·韦克福德(Hannah Wakeford)表示:“以前曾在许多系外行星大气中测量过云的存在,但只有当我们共同查看一个大样本时,我们才能分辨出这些世界大气中的物理和化学。” ,英国布里斯托大学的天体物理学家,“主要的云种与沙子一样普遍-本质上是沙子-首次能够测量云本身的光谱特征将非常令人兴奋。即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)。”

  诸如NASA的JWST计划在几年内发射的未来观测,应该能够证实这些预测,并且也许可以揭示离家较近的行星的隐藏云层。高说,类似的奇异云团可能存在于木星或土星的深处,那里的温度接近热木星的温度。

  “由于有数千个系外行星,而只有一个木星,所以我们可以研究其中的一堆,看看平均数是多少,与木星相比,”高说。

  他和他的同事计划根据其他系外行星和褐矮星的观测数据测试该模型,褐矮星基本上是巨大的气体巨型行星,它们几乎是恒星。他们也有云。

  加州大学圣克鲁斯分校的乔纳森·福特尼说:“在研究太阳系中的行星大气时,我们通常具有图像的背景。系外行星没有运气。它们只是点或阴影。”“这是巨大的信息损失。但是我们需要弥补的是更大的样本量。而且这使我们能够通过行星温度来寻找趋势(这里是多云的趋势),而我们只是这样做而已。在我们的太阳系中没有奢侈的东西。”


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