天文學家仔細觀察灼熱的係外行星WASP

這裏描繪的超高溫巨型係外行星WASP-76 b是一個非常熱的世界，它的軌道非常靠近它的巨星。鳴謝:國際雙子座天文台/noir lab/NSF/AURA/j . da Silva/space engine/m . Zamani
（神秘的地球uux.cn）據蒙特利爾大學：蒙特利爾大學Trottier係外行星研究所的博士生Stefan Pelletier領導的一個國際團隊對極熱的巨型係外行星WASP-76 b進行了詳細的研究。
使用Gemini-North望遠鏡上的MAROON-X儀器，該團隊能夠識別和測量該行星大氣中11種化學元素的豐度。
這些包括岩石形成元素，其豐度甚至在太陽係的大行星如木星或土星中也是未知的。該小組的研究發表在《自然》雜誌上。
Pelletier說:“數百光年外的係外行星能夠教給我們一些關於我們自己的太陽係的事情，這種情況非常罕見。”。“這項研究就是這樣。”
一個又大又熱又奇怪的世界
WASP-76 b是一個奇怪的世界。它達到極端溫度是因為它非常靠近它的母星，一顆距離我們634光年的雙魚座大質量恒星:大約是水星到太陽距離的12倍。它的質量與木星相似，但體積幾乎是木星的六倍，相當“膨脹”。
自2013年廣角行星搜索(WASP)計劃發現它以來，許多團隊已經對它進行了研究，並確定了其大氣中的各種元素。值得注意的是，在2020年3月發表在《自然》雜誌上的一項研究中，一個團隊發現了一個鐵信號，並假設地球上可能有鐵雨。
了解到這些研究後，Pelletier開始利用位於夏威夷的Gemini-North 8米望遠鏡上的MAROON-X高分辨率光學攝譜儀對WASP-76 b進行新的獨立觀測，該望遠鏡是國家科學基金會NOIRLab運營的國際Gemini天文台的一部分。
“我們認識到，強大的新MAROON-X攝譜儀將使我們能夠研究WASP-76 b的化學成分，其詳細程度是任何巨型行星都沒有的，”UdeM天文學教授bjrn benne ke說，他是該研究的合著者，也是Stefan Pelletier的博士研究導師。
類似於太陽的成分
在太陽內部，元素周期表中幾乎所有元素的豐度都被非常精確地知道。然而，在我們太陽係的巨行星中，隻有少數元素是這樣，它們的成分仍然很少受到限製。這阻礙了對這些行星形成機製的理解。
由於距離恒星如此之近，WASP-76 b的溫度遠遠超過2000攝氏度。在這種溫度下，許多通常會在地球上形成岩石的元素(如鎂和鐵)被蒸發，並以氣態形式存在於高層大氣中。研究這顆奇特的行星可以前所未有地洞察巨行星中岩石形成元素的存在和豐富程度，因為在木星這樣的較冷的巨行星中，這些元素在大氣中的含量較低，不可能被檢測到。
Pelletier和他的團隊在這顆係外行星的大氣中測量到的許多元素的豐度——如錳、鉻、鎂、釩、鋇和鈣——與其主星以及我們的太陽非常接近。
這些豐度不是隨機的:它們是大爆炸的直接產物，隨後是數十億年的恒星核合成，因此科學家在所有恒星中測量到大致相同的成分。然而，它不同於像地球這樣的岩石行星的構成，後者以更複雜的方式形成。
這項新研究的結果表明，巨行星可以保持反映其形成的原行星盤的整體組成。

Stefan Pelletier和他的同事使用雙子北望遠鏡評估超高溫係外行星WASP-76 b的大氣成分。鳴謝:國際雙子天文台/noir lab/NSF/AURA/P . horálek(Opava物理研究所)。
其他元素的損耗非常有趣
然而，與恒星相比，行星中的其他元素都被耗盡了——這一結果令Pelletier特別感興趣。
“WASP-76 b大氣中似乎缺少的這些元素恰恰是那些需要更高溫度才能蒸發的元素，如鈦和鋁，”他說。"與此同時，與我們預測相符的元素，如錳、釩或鈣，都在稍低的溫度下蒸發."
發現小組的解釋是，觀測到的巨行星高層大氣的成分對溫度可能極其敏感。根據一種元素的冷凝溫度，它會以氣體形式出現在大氣的上部，或者冷凝成液體形式沉入更深的層中。當處於氣體形式時，它在吸收光方麵起著重要作用，可以在天文學家的觀測中看到。當它凝聚時，天文學家無法探測到，並從他們的觀測中完全消失。
“如果得到證實，這一發現將意味著兩顆溫度略有不同的巨大係外行星可能有非常不同的大氣，”Pelletier說。“有點像兩壺水，一壺在-1攝氏度時是冰凍的，另一壺在+1攝氏度時是液體。例如，在WASP-76 b上觀察到鈣，但在稍冷的星球上可能沒有。”
首次發現氧化釩
Pelletier的團隊的另一個有趣的發現是檢測到一種叫做氧化釩的分子。這是第一次在係外行星上明確探測到它，天文學家對此非常感興趣，因為他們知道它會對熾熱的巨行星產生很大影響。
“這種分子在地球大氣中扮演著與臭氧相似的角色:它在加熱高層大氣方麵極其有效，”Pelletier解釋道。“這導致溫度隨著海拔的升高而升高，而不是像在較冷的行星上通常看到的那樣降低。”
一種元素，鎳，在這顆係外行星的大氣中明顯比天文學家預期的更加豐富。許多假說可以解釋這一點；一個是WASP-76 b可能有來自類似水星的行星的吸積物質。在我們的太陽係中，這顆小岩石行星富含鎳等金屬，因為它是如何形成的。
Pelletier的團隊還發現，先前研究中報道的WASP-76 b東半球和西半球之間鐵吸收的不對稱性也類似地存在於許多其他元素中。這意味著導致這一現象的潛在現象可能是一個全球性的過程，如溫度的差異或雲出現在地球的一側而不是另一側，而不是像以前建議的那樣冷凝成液體形式的結果。
確認和利用經驗教訓
佩爾蒂埃和他的團隊非常渴望了解更多關於這顆係外行星和其他超高溫巨行星的信息，部分是為了證實他們的假設，即溫度略有不同的行星上可能存在差異巨大的大氣。
他們還希望其他研究人員將利用他們從這顆巨大的係外行星中學到的東西，並將其應用於更好地了解我們自己的太陽係行星以及它們是如何形成的。
“幾代研究人員已經使用木星、土星、天王星和海王星測量的氫和氦的豐度來基準氣態行星的形成理論，”Benneke說。“同樣，WASP-76 b上鈣或鎂等較重元素的測量將有助於進一步了解氣態行星的形成。
2023年6月14日，在《自然》雜誌上發表了“氧化釩和一顆巨大的係外行星上冷捕集的突然發生”。

(责任编辑：影視)