类海王星系外行星可能是浑浊的也可能是晴朗的新发现揭示了原因

“系外行星”是我们太阳系之外的宇宙中所有行星的科幻名称，它的研究是一个相当新的领域。主要是，堪萨斯大学ExoLab等系外行星研究人员使用来自哈勃太空望远镜和韦伯太空望远镜等星载望远镜的数据。每当新闻头条报道发现“类地”行星或有可能支持人类生存的行星时，他们谈论的都是我们银河系内的系外行星。

堪萨斯大学ExoLab的博士生JonathanBrande刚刚在《天体物理学杂志快报》上发表了研究结果，显示了15颗与海王星类似的系外行星中新的大气细节。虽然没有一个可以支持人类，但更好地了解他们的行为可能有助于我们理解为什么我们没有小海王星，而大多数太阳系似乎都有此类行星。

“过去几年在堪萨斯大学，我的重点是通过一种称为透射光谱的技术研究系外行星的大气，”布兰德说。“当一颗行星凌日时，即它在我们的视线和其绕轨道运行的恒星之间移动时，来自恒星的光穿过行星的大气层，被存在的各种气体吸收。通过捕获恒星的光谱——使光穿过行星的大气层一种叫做光谱仪的仪器，类似于通过棱镜——我们观察彩虹，测量不同成分颜色的亮度。光谱中不同的亮度或暗度区域揭示了吸收行星大气中光的气体。”

通过这种方法，布兰德几年前发表了一篇关于“温暖的海王星”系外行星TOI-674b的论文，其中他提出了表明其大气中存在水蒸气的观测结果。这些观测是布兰德的顾问、堪萨斯大学物理与天文学副教授伊恩·克罗斯菲尔德领导的更广泛计划的一部分，旨在观察海王星大小的系外行星的大气层。

布兰德说：“我们希望了解这些行星的行为，因为那些比地球稍大、比海王星小的行星在银河系中最常见。”

最近的这篇论文总结了该计划的观测结果，结合了额外观测的数据，以解释为什么有些行星看起来多云而另一些行星则清澈。

“我们的目标是探索这些行星独特外观背后的物理解释，”布兰德说。

布兰德和他的合著者特别注意到系外行星往往在大气层高处形成云或薄雾的区域。堪萨斯大学研究人员表示，当存在这种大气气溶胶时，雾霾会阻挡穿过大气层的光线。

布兰德说：“如果一颗行星的表面上方有一朵云，上面有数百公里的晴朗空气，那么星光很容易穿过晴朗的空气，并且只能被该部分大气中的特定气体吸收。”“然而，如果云层位置非常高，则云层在电磁频谱上通常是不透明的。虽然雾霾具有光谱特征，但对于我们的工作来说，我们用哈勃望远镜关注相对较窄的范围，它们也产生大部分平坦的光谱。”

布兰德表示，当这些气溶胶存在于大气层的高处时，光线就没有清晰的路径可以透过。

“对于哈勃望远镜，我们对水蒸气最敏感的单一气体，”他说。“如果我们观察到行星大气中的水蒸气，那就很好地表明没有足够高的云层来阻止其吸收。相反，如果没有观察到水蒸气并且只看到平坦的光谱，尽管知道行星应该有大气层延伸，这表明在更高海拔地区可能存在云或薄雾。”

布兰德领导了一个由天文学家组成的国际团队完成这篇论文的工作，其中包括堪萨斯大学的克罗斯菲尔德和德国海德堡马克斯·普朗克研究所的合作者、劳拉·克雷德伯格领导的研究小组以及德克萨斯大学奥斯汀分校由卡罗琳领导的研究人员。莫利。

布兰德和他的合著者的分析方法与之前的工作不同，他们专注于确定小海王星大气层的物理参数。相比之下，以前的分析通常涉及将单个模型光谱拟合到观测结果。

布兰德说：“通常，研究人员会采用预先计算出水含量的大气模型，对其进行缩放和调整，以匹配样本中观测到的行星。”“这种方法表明光谱是清晰的还是浑浊的，但没有提供有关水蒸气量或大气中云的位置的信息。”

相反，布兰德采用了一种称为“大气检索”的技术。

他说：“这涉及对各种行星参数(例如水蒸气数量和云位置)的大气进行建模，迭代数百次和数千次模拟以找到最合适的配置。”

“我们的检索为我们提供了每个行星的最佳拟合模型光谱，从中我们计算出该行星看起来有多云或多晴。然后，我们将这些测量的清晰度与卡罗琳·莫利的一套单独的模型进行比较，这让我们看到我们的结果符合对类似行星的预期。在检查云和雾霾行为时，我们的模型表明云比雾霾更适合。

“反映云致密性的沉降效率参数表明，观测到的行星具有相对较低的沉降效率，从而形成蓬松的云。这些由水滴等颗粒组成的云，由于其沉降趋势较低，在大气中保持高空。”

布兰德的发现提供了对这些行星大气行为的见解，并在美国天文学会最近的一次会议上介绍这些发现时引起了“极大的兴趣”。

其他发现

此外，布兰德是克罗斯菲尔德领导的国际观测计划的一部分，该计划刚刚宣布在GJ9827d上发现了水蒸气，这是一颗与金星一样热的行星，位于双鱼座，距地球97光年。

哈勃太空望远镜进行的观测表明，这颗行星可能只是银河系中富含水的行星之一。它们是由蒙特利尔大学特罗蒂埃系外行星研究所的皮埃尔-亚历克西斯·罗伊领导的团队宣布的。

“我们正在亚海王星类型行星的大气层中寻找水蒸气，”布兰德说。“皮埃尔-亚历克西斯的论文是这项主要工作的最新成果，因为它需要大约10或11次绕地球运行或凌日才能进行水蒸气探测。皮埃尔-亚历克西斯的光谱作为我们的趋势数据点之一进入了我们的论文。，我们纳入了他们提案中的所有行星和文献中研究的其他行星，使我们的结果更加强大。在这两篇论文的过程中，我们与他们保持密切沟通，以确保我们使用正确的更新结果并准确反映他们的发现。”