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多云,偶有尘团(Moses 2014)  

2014-02-03 20:32:50|  分类: 外论选译 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Nature, 505: 31-32, 2 January 2014

新闻和观察(NEWS & VIEWS

多云,偶有尘团(Cloudy with a chance of dustballs

朱莉安娜·摩西斯(Julianne Moses

美国科罗拉多州博尔德太空科学研究所(Space Science Institute, Boulder, Colorado 80301, USA. e-mail: jmoses@spacescience.org

 

两颗中等大小的太阳系外的行星,在它们于寄主恒星前面通过时,观测到了它们的透射光谱,两者均很平坦而无特征,并揭示了它们的大气的特性。

 

平坦的光谱通常不能吸引天文学家的注意力,但有时缺乏特征的光谱也能告诉你一些有趣的事情。这是两颗比木星小的太阳系外的行星,它们互不相干,但都是使用哈勃太空望远镜作的观测,并分别由克努森Knutson)等人 [1] 克莱德伯格Kreidberg)等人 [2] 在本期刊物的第 66 页和第 69 页报告了观测的情况。

第一颗行星,GJ 436b,质量和半径略大于海王星。第二颗,GJ 1214b,较小一些,半径大致为地球的 2.7 倍。这两颗行星的轨道非常靠近它们的寄主恒星,因此按照地球的标准温度是很高的。鉴于自从它们各自被发现以来对它们密集的观测研究,这两颗行星已经成为新的“海王星级”和“超级地球”两种类别的外星行星的原型。

虽然第一批——在上世纪 90 年代和本世纪第一个十年——发现的太阳系外行星往往都是炽热的、质量很大的、以氢为主的星球,与它们最相像的是木星,但是天文学家们一直还是在从方法和效率两个方面琢磨着如何去对较小的、密度较高的、温度较冷的像地球一样的行星去作更为艰难的观测。最近以地面和空间两个方面的仪器作的巡查证明 [3–5] ,大小介于地球和海王星之间的行星在已被观测过的外星行星群体中占据着压倒性的多数。然而这些中等大小的行星实际上像什么样子呢?我们的太阳系不能提供与这些行星有关的足够的线索,因为我们在这把天平的一端只有地球和金星,而在另一端则是冰冷的天王星和海王星,除此以外没有其他的行星可以用来作为例子。这些中等大小的外星行星像地球和金星一样有石质的表面吗?它们或是像天王星和海王星一样是流体的行星,有着很厚的、很深的大气层,其中相对地富含氢和挥发性成分?或者它们是一些“水世界”,在深深的海洋上覆盖着富含水蒸气的大气层?这些行星的大气层是厚还是薄、主要是由氢、水、二氧化碳还是氮或某些更奇特的气体组成?GJ 436b GJ 1214b 的观测结果提供了一些重要的线索。

GJ 436b GJ 1214b 的轨道平面几乎完全是以侧面朝向地球,因此这两颗行星均会周期性地发生凌星现象——直接在它们各自的寄主恒星前面通过,使得来自这两个系统的光量略有下降。这种由于凌星而引起的光量下降的深度可以用来确定行星的半径,而这一深度随波长的变化则提供了与大气成分有关的信息。凌星时,到达观测者的恒星光要穿过行星的大气层。一颗有着向外扩展的大气层的行星,行星看上去的大小可随观测所用的波长而变化,这是因为在按照大气的成分应该有很强吸收带的波长处,会有更多的恒星光在高空就被阻挡掉。相反,在那些按照大气成分吸收较少的波长处,则会有更多的光线穿过低空。

GJ 1214b 已知具有相对平坦的(与波长无关的)透射谱,至多只具有弱吸收的特征 [6, 7] 。由于这颗行星的体积密度意味着它必定有一个气态的包层,由此得出的两种解释平坦透射谱的理论,涉及的或是广泛分布的、位于高空的云层,或是以高分子量成分如水或二氧化碳为主的贫氢大气(图 1)。在这两种情况下,大多数波长的恒星光将会在大气的一个很小的垂直范围内相当突然地减弱。

 

多云,偶有尘团(Moses 2014) - wangjj586 - 星海微萤

 

1.  外星行星的大气。外星行星在凌星期间,如克努森等人 [1] 克莱德伯格等人 [2] 所报告的那样的平坦的透射光谱,可以由一颗拥有大气层的行星所造成,这颗行星的大气层或是包含高高的云层(a),或是由高平均分子量的贫氢成分组成(b)。在有云层的情况下,来自这颗行星的寄主恒星的光子在它们到达地球上的观测者的途中遇到云层,被突然地阻挡住。在贫氢的情况下,大气很高的分子量使得它被重力紧紧地束缚住,并因此在垂直方向被压缩,造成密度在相对小的垂直尺度范围内有很大的变化,其结果是所有的恒星的光子相对突然地被吸收。如果这颗行星有一个洁净(无云)的、低平均分子量的大气层(未画出),大气的吸收特征在透射光谱中就会比较显著。

 

克莱德伯格和他的同事们在他们的研究报告中给出了 GJ 1214b 的近红外透射光谱,这最终使得能够运用上述两种相互抵触的理论中的一种,排除了这颗外星行星是超级地球。用搭载在哈勃太空望远镜上的 3 型广角照相机(WFC3)获得的极其精密的光谱证明,GJ 1214b 的透射光谱在约 1.1 1.6 微米的波长范围内是如此平坦而无特征,这使得高空云提供了唯一看似合理的解释。这些观测结果的精密度足以表明,如果在 GJ 1214b 上存在的大气层是无云的并以诸如水、甲烷、一氧化碳或二氧化碳这样一些较重的分子为主,那么这样的大气层的光谱特征将会是可以被检测到的。仅仅依据缺乏水的吸收特征,即使是由 99.9% 的光谱中性的氮和 0.1% 的水组成的大气层,也可以予以排除。

同时,克努森和他的同事们给出的 GJ 436b 的新的 3 型广角照相机观测结果指出,这颗海王星级行星在 1.1 1.6 微米之间的透射光谱也同样地平坦和无特征。鉴于人们可能会预期质量更大的 GJ 436b 应该包含比 GJ 1214b 更多的氢,因此,在这种情况下,这种平坦的光谱更加大大地令人感到意外——一个富氢的大气层将会沿着垂直方向向外扩展,而预期的如水和甲烷这样的痕量成分将会有显著的很深的吸收带。可是,克努森等人证明,与 GJ 1214b 的情况不一样,贫氢的大气层(包括有云层的或没有云层的)和带有很高云层的富氢大气层都是统计上可行的解,都能够解释所观测到的 GJ 436b 的平坦的透射光谱。为了区分这两种情况,将需要在近红外波段作更精密的中等分辨率的光谱观测, 从而能够毫不含糊地显露出每一个光谱特征。 当行星经过恒星的背后时获得的波长较长的交食观测结果 [8] ,也可以帮助区分这两种假设。

越来越多的证据表明,   一颗行星中氢的成分所占的比例强烈地依赖于这颗行星的大小 [9] ,所以对于 GJ 436b GJ 1214b 的平坦透射光谱的解释来说,不一定是一种“非此即彼”的情况,也就是说,大气可以既是多云的,又具有较大的平均分子量。然而,在这两颗外星行星上的高空云不会是像我们在太阳系中看到的云那样的情形。可能的候选者是氯化钾或硫化锌的粉尘云。对于一个相对贫氢的大气层来说,这两种成分均会形成云,这些云具有足够的光学厚度(不透明程度),在两颗行星上均在高空就会使得透射的恒星光突然阻断,造成一种平坦的透射光谱 [10] 。另外,如出现在土星的卫星土卫六上的那种厚厚的霾也有可能是由大气中的气体通过恒星的紫外光子的光化学过程生成的,虽然在这两颗行星上均缺乏有甲烷存在的证据 [2, 8] ,意味着即使存在某种光化学霾也是与土卫六上的那些霾完全不同的。

贫氢或者根本没有氢,有灰尘笼罩或者没有灰尘笼罩,超级地球和海王星级行星一起代表着太阳系外的行星中一种有趣和数量众多的类型,它们的奇特的大气层,在太阳系中也许没有真正类似的情况。这里给出的透射光谱——平坦而无特征,但仍充满着信息——提供了一则为描述这类行星的特性所必须解开的谜。

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