天文问答为什么有的行星比恒星还烫？科学家将解开谜团

2022-12-22 18:22:23 来源：科普中国

为什么有的行星比恒星温度高？我们开始揭开谜团

木卫Kelt-9b行星环绕其主恒星Kelt-9概念图（图源：NASA/JPL-加利福尼亚学院）

本文原刊登于The Conversation（对话）网站。该网站将文章投稿至Space.com的Expert Voices: Op-Ed & Insights（专家之声）专栏。

(资料图片)

昆廷·昌吉特（Quentin Changeat），伦敦大学学院天文学博士后研究员

比利·爱德华（Billy Edwards），闪熠太空任务（Twinkle Space Mission）项目科学家，伦敦大学学院天文学研究员

直到21世纪初期，人们所知道的行星都位于我们所处的太阳系附近。这些行星大致可以分为两类：在太阳系内的小型岩石行星和太阳系外的冷气态行星。随着系外行星（也就是围绕除太阳以外的行星）的发现，更多的行星种类出现了，一幅关于行星的新画面开始浮现。我们的太阳系绝不是最典型的星系。

举个例子，据开普勒计划的数据显示，大型气态系外行星可以不像太阳系中的行星那样远离太阳，而是能够非常靠近它们的恒星进行轨道运行，这导致它们的温度能达到超过1000K（727℃）。这些行星被称为“热木星”或“超热木星”。尽管大多数系外行星的体积都相对小，通常介于海王星和地球之间，但我们却对它们的组成知之甚少。

这些高温气态行星到底是如何在距离恒星如此近的范围内形成和存在的呢？这里发生过何种极端的物理过程？这些问题的答案对我们理解系外行星和太阳系行星具有很大影响。在我们最近发表于《天体物理学快报》的研究中，我们为解开行星形成与演化之谜提供了新线索。

Kelt-9 b行星

目前已知最热的系外行星是Kelt-9b行星，它于2016年【！！】被发现。Kelt-9b围绕着一颗比太阳温度高两倍的恒星运行，而这两者的距离却仅有太阳与水星距离的十分之一。它是一颗巨大的气态系外行星，其半径为木星的1.8倍，温度高达5000k（译者注：4726.85℃）。相比之下，Kelt-9b比宇宙中80%的恒星都热，与我们的太阳温度相当。

图解：木星与Klet-9b大小比较。图源：NASA戈达德航天中心/Chris Smith (USRA)

从本质上讲，热木星是了解极端物理和化学过程的窗口。它们提供了一个绝佳的机会，让我们可以在地球上几乎无法复制的环境中研究物理。研究它们有助于我们对化学和热过程、大气动力学和云形成有更进一步理解。了解他们的起源也能够帮助我们改进行星的形成与演化模型。

我们仍在努力研究行星是如何形成的，以及水等元素是如何被运送到太阳系中的。为了找到答案，我们需要通过观测系外行星的大气层来研究其组成。

大气观测

研究系外行星的大气主要有两种方法。在凌日法中，当系外行星在其恒星前方横越时，我们可以捕捉穿过了行星大气层的恒星光，借此找到那里存在任何化学元素的痕迹。

图解：利用凌日法进行观测。图源：NASA戈达德航天中心/Chris Smith (USRA)

另一种方法是利用行星经过主恒星后方的期间。这时行星也会发出和反射一小部分光，因此，通过对比行星在隐藏和可见两种情况下总光的微小变化，我们可以提取到来自行星的光。

这两种类型的观测都是在不同的波长或颜色下进行的。由于化学元素和化合物会吸收和发射非常特定的波长，因此可以产生一个光谱（按波长分解光），用来推断其大气的成分。

Kelt-9b行星的秘密

Kelt-9恒星及超热行星Kelt-9b的想象图。（图源：Robert Hurt/NASA/JPL-加利福尼亚学院）

在我们的研究中，我们利用哈勃太空望远镜获取的公开数据得到kelt-9b行星的光谱。

接下来，我们用开源软件提取分子并发现其中含有大量金属（由分子组成）。这是一个很有趣的发现，因为在此之前人们一直认为分子是不会出现在这种极端的温度之下的——它们应该会被分解成更小的化合物。

受主恒星强大引力的影响，kelt-9b行星被“潮汐锁定”，也就是说行星的一个固定面永远只能面朝恒星，这导致了行星的昼夜两面温差极大。由于在观测研究时，探测的数据来自温度更高的白昼面，我们认为观察到的分子实际上是从较低温区域（如夜晚面或内部深处）通过动力过程而来的。这些观测结果表明，这类极端世界的大气是由我们不熟知的复杂过程控制的。

图解：从kelt-9b的视角看向主恒星概念图。图源：NASA戈达德航天中心/Chris Smith (USRA)

Kelt-9b行星之所以有趣，是因为它的倾斜轨道约为80度，这意味它或许曾经遭遇过一些激烈的撞击。事实上，许多这类型行星也发生过这样的事情。Kelt-9b行星很可能是在远离母星的位置形成的，当它向内往恒星迁移时却发生了碰撞。这为一个理论提供了支持，即大型行星倾向于在原恒星盘中远离主恒星处形成（也因此产生了类太阳系），并在向恒星迁移时捕获气态和固态物质。

然而我们无法得知这个过程中的细节，所以至关重要的还是要总结出这类行星的特征，以便去确认各种情况并更好地从整体上了解其发展历史。

未来的任务

像哈勃太空望远镜这样的天文台并不是为研究系外行星大气而设计的。下一代的太空望远镜，如韦布空间望远镜和“瞪羚号”系外行星探测器，将搭载更好的、专为严格探测系外行星大气量身打造的功能与仪器。它们将使我们能够解答许多关于极热木星这类行星的基本问题，并且还不仅仅限于此。

图解：空间局“瞪羚号”系外行星探测器前往拉格朗日点2想象图。图源：ESA/STFC RAL Space/UCL/Europlanet-Science Office

新一代的望远镜还将探测小行星的大气，这也是目前这一代仪器难以达到的水平。特别是将在2029年发射的“瞪羚号”系外行星探测器，它将观测约1000颗系外行星，以帮助解决系外行星研究中的一些最基本问题。

“瞪羚号”任务还将是第一个深入研究这些行星大气层的太空任务。它最终应该能告诉我们这些系外行星是由什么组成，以及它们是如何形成和演化的。这也将会是一场真正的新变革。

BY: Quentin Changeat, Billy Edwards

FY: 两蚊未几

如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处

关键词：化学元素哈勃太空望远镜