【原】天文小科普：熱木星是什么？它和我們的木星有何區(qū)別？

天文在線 2023-08-08 發(fā)布于云南

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熱木星指南：

靠近炙熱太陽(yáng)的橙紅色帶狀的類木行星

藝術(shù)家對(duì)熱木星的概念是在一個(gè)緊湊的軌道圍繞它的恒星。但是現(xiàn)在科學(xué)家們公開了一份新的熱木星指南。

熱木星指南

這個(gè)月天文學(xué)家們聲稱這里有全新工具幫助科學(xué)家們研究熱木星。他們稱之為這是熱木星的“野外指南”。目前我們已知的4000多顆系外行星--在銀河系中圍繞著遙遠(yuǎn)恒星的行星中--有幾百顆是熱木星。

經(jīng)過(guò)同行審議的《自然》雜志發(fā)表了這項(xiàng)研究。亞利桑那大學(xué)的天文學(xué)家梅根·麥斯菲爾德（Megan Mansfield）領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)研究小組。

什么是熱木星？

當(dāng)你想象熾熱的木星系外行星時(shí)，你可以想到大質(zhì)量和短軌道周期。我們一般認(rèn)為這些小行星在物理上與太陽(yáng)系最大的行星--木星相似。我們的木星質(zhì)量比太陽(yáng)系所有的其他行星加起來(lái)還要大，相當(dāng)于地球質(zhì)量的300倍。太陽(yáng)系外，在銀河里圍繞恒星運(yùn)行的一顆遙遠(yuǎn)熱木星的質(zhì)量大約是一顆木星的三分之一到十幾倍。如果一個(gè)物體有更高的質(zhì)量，那么他們內(nèi)部的溫度和壓強(qiáng)會(huì)高到足以能夠引起氘聚變。這樣的物體將不會(huì)再被稱為行星，而是褐矮星。

熱木星還有一個(gè)特征是圍繞恒星的軌道周期很短。我們的木星是太陽(yáng)系第五大行星，它在火星軌道之外，也在小行星帶之外。木星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一周需要12個(gè)地球年。另一方面，熱木星的軌道速度為1。3個(gè)地球日。另外，他們的范圍可能超過(guò)了100個(gè)地球日。所以他們離恒星很近，這也是為什么他們這么熱。

這項(xiàng)新的研究是第一次對(duì)熱木星進(jìn)行研究。以前的研究只是嘗試將視角放在與木星的相似的行星上面，同時(shí)，哈勃望遠(yuǎn)鏡也測(cè)量了這些熾熱星球的發(fā)射光譜。這是關(guān)于這些世界其他重要的觀點(diǎn)。我們不能真正的看到他們。當(dāng)我們仰望這些恒星時(shí)，行星們便消失在恒星的光芒之中。大部分的熱木星都在他們移動(dòng)，穿越恒星做交叉時(shí)被發(fā)現(xiàn)的，這樣會(huì)造成恒星的光芒變暗。就像麥斯菲爾德所說(shuō)，這些系統(tǒng)、恒星和熱木星們都太遠(yuǎn)所以我們不能區(qū)分單獨(dú)的恒星和他的小行星。我們能夠看到的只是一個(gè)點(diǎn)，這兩個(gè)光源的結(jié)合。

所以測(cè)量熱木星的光譜本身就是一個(gè)壯舉。這對(duì)于想要研究這些星球的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的工具。他們是如何完成的呢？研究者們用了一種稱為二次日食的技術(shù)--這顆行星不是從它的恒星前面而是后面飛過(guò)--這樣能夠?qū)Υ髿庥^察更加深入，以及對(duì)他們的結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分了解的更多。在二次日食技術(shù)里，天文學(xué)家們重復(fù)觀察行星圍繞其恒星的軌道上的不同位置。就像麥斯菲爾德解釋：我們基本上測(cè)量來(lái)自行星和他的恒星的結(jié)合光，并將此結(jié)果與我們觀察行星藏在恒星后面的情況進(jìn)行比對(duì)。這可以讓我們減去恒星的貢獻(xiàn)，隔離出行星發(fā)出的光，盡管我們并不能直接看到他們。

84個(gè)不同顏色和紋理的行星標(biāo)注了其溫度和元素成分。這張2016年的插圖顯示了在白天飛過(guò)的高溫木星，其溫度和組成可能會(huì)發(fā)生變化。正如你所見，它們都是不同的。

日食的數(shù)據(jù)提供了關(guān)于熱木星的線索

研究者們想要更好的了解熱木星上的大氣熱結(jié)構(gòu)。最終，二次日食技術(shù)為我們提供了數(shù)據(jù)，讓研究者們建立了每個(gè)行星的溫度和壓力的單獨(dú)剖面。

另外，我們也分析了一種近紅外光--一種可以幫助我們展示行星大氣中吸收率情況的紅外光。實(shí)際上這項(xiàng)研究類似我們的指紋研究，因?yàn)槊恳粋€(gè)原子或分子都有其獨(dú)特的配置。起初，通過(guò)觀察不同的波長(zhǎng)，研究人員們可以確定每一顆行星的大氣組成成分，麥斯菲爾德認(rèn)為：在某種程度上，我們利用分子來(lái)掃描熱木星的大氣成分，使用我們觀察到的光譜了解大氣組成以及大氣結(jié)構(gòu)的信息。

一個(gè)微笑的戴著眼鏡、有著一頭黑色長(zhǎng)發(fā)的女人在一個(gè)磚建成的建筑前。

梅根·麥斯菲爾德在亞利桑那大學(xué)為了這份全新的野外指南領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究

理論模型

對(duì)于熱木星的分析不僅僅只是局限于日食帶來(lái)的數(shù)據(jù)。研究者們還使用了被認(rèn)為在行星大氣中發(fā)生的物理進(jìn)程的計(jì)算機(jī)模型。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)都被使用來(lái)進(jìn)行比較。并且結(jié)果證明了，這些結(jié)果是接近的?？偟膩?lái)說(shuō)，這份成功的結(jié)果說(shuō)明了以前的關(guān)于行星的理論模型是正確的。

那結(jié)果是什么呢？研究結(jié)果表明，多數(shù)情況下，熱木星是非常相似的。總的來(lái)說(shuō)，他們基本上有相同的分子組合，比如水和一氧化碳，當(dāng)然也有更少量的其他分子。唯一的明顯的不同在于分子的相對(duì)數(shù)量不同。并且科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)熱木星的大氣吸水特征也略顯不同。麥斯菲爾德認(rèn)為：總的來(lái)說(shuō)，研究結(jié)果表明我們很有可能研究弄清楚了這些行星上的化學(xué)變化。與此同時(shí)，每顆行星都有其單獨(dú)的化學(xué)組成，并且會(huì)影響我們的觀測(cè)結(jié)果。

奇異的火熱世界

一般來(lái)說(shuō)，熱木星在某些方面和木星是相似的，但他們也是獨(dú)特的外星行星。在太陽(yáng)系里，我們沒(méi)有任何大行星的軌道如此靠近太陽(yáng)。但是在我們整個(gè)銀河系里，這種情況又很常見。大概每十顆恒星里就有一顆熱木星，并且大部分都被發(fā)現(xiàn)了，很大原因是比起巖石或氣體行星，熱木星更加容易被探測(cè)到。我們已知的熱木星大小是在木星的三分之一到十倍之間（稱為超級(jí)木星）

在黑色背景上，有明亮的云層和大氣層中的條紋。這是對(duì)超級(jí)木星HD80606b的大氣模擬。美國(guó)宇航局的皮斯策天文望遠(yuǎn)鏡提供了模擬的數(shù)據(jù)支持。圖片來(lái)源NASA/ JPL-Caltech/ The University of Arizona

熱木星之所為如此不同是因?yàn)樗倪\(yùn)行軌道非?？拷麄兊暮阈牵话惚人菄@太陽(yáng)更近。實(shí)際上，熱木星上的一年僅僅只有幾天或者幾個(gè)小時(shí)。

未來(lái)觀測(cè)指南

在未來(lái)的歲月里，這份指南對(duì)新發(fā)現(xiàn)的熱木星對(duì)研究有很大的價(jià)值。并且，即將于12月18日發(fā)射的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡將會(huì)更近的觀測(cè)熱木星。麥斯菲爾德評(píng)價(jià)道：關(guān)于行星的形成我們還有很多不懂的地方，但是我們想要了解的其中一個(gè)途徑就是觀測(cè)這些熱木星的大氣以及他們是如何形成的。通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，我們可以研究吸水率的趨勢(shì)問(wèn)題，但是當(dāng)我們?cè)谟懻摯髿饪偨M成的時(shí)候，我們也希望看到更多的分子，比如說(shuō)一氧化碳和二氧化碳。在未來(lái)，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡會(huì)給我們這樣的機(jī)會(huì)去觀測(cè)這些。