天文学家仔细研究灼热的系外行星

由博士StefanPelletier领导的国际团队。蒙特利尔大学Trottier系外行星研究所的学生对极热的巨型系外行星WASP-76b进行了详细研究。

使用Gemini-North望远镜上的MAROON-X仪器，该团队能够识别和测量行星大气中11种化学元素的丰度。

其中包括造岩元素，其丰度甚至在木星或土星等太阳系巨型行星中都不为人知。该团队的研究发表在《自然》杂志上。

Pelletier说：“真正罕见的是，一颗距离我们数百光年的系外行星能够教会我们一些在其他情况下可能无法了解我们自己的太阳系的东西。”“这项研究就是这种情况。”

一个又大又热又奇怪的世界

WASP-76b是一个陌生的世界。它达到极端温度是因为它非常靠近其母星，这是双鱼座中一颗距离我们634光年的大质量恒星：比水星与太阳的距离大约12倍。它的质量与木星相似，但体积几乎是木星的六倍，非常“膨胀”。

自2013年广角搜索行星(WASP)计划发现它以来，许多团队对其进行了研究并确定了其大气层中的各种元素。值得注意的是，在2020年3月也发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个团队发现了铁的特征，并假设地球上可能存在铁雨。

意识到这些研究后，Pelletier开始使用位于夏威夷的Gemini-North8米望远镜(国际双子座天文台的一部分)上的MAROON-X高分辨率光学光谱仪对WASP-76b进行新的独立观测，由NSF的NOIRLab运营。

“我们认识到，强大的新型MAROON-X光谱仪将使我们能够研究WASP-76b的化学成分，其详细程度对于任何巨行星都是前所未有的，”UdeM天文学教授BjörnBenneke说，他是该研究的合著者和StefanPelletier博士研究主管。

类似于太阳的成分

在太阳内部，元素周期表中几乎所有元素的丰度都非常准确。然而，在我们太阳系的巨型行星中，只有少数元素是这样的，它们的成分仍然没有受到很好的限制。这阻碍了对控制这些行星形成的机制的理解。

由于距离恒星如此之近，WASP-76b的温度远高于2,000°C。在这些度数下，许多通常会在地球上形成岩石的元素(如镁和铁)被蒸发并以气态形式存在于高层大气中。研究这颗奇特的行星可以前所未有地洞察巨行星中造岩元素的存在和丰富程度，因为在木星等较冷的巨行星中，这些元素在大气层中的含量较低，无法检测到。

佩尔蒂埃和他的团队在这颗系外行星的大气层中测量的许多元素的丰度——例如锰、铬、镁、钒、钡和钙——与它的主星和我们太阳的丰度非常接近。

这些丰度不是随机的：它们是大爆炸的直接产物，随后是数十亿年的恒星核合成，因此科学家测量的所有恒星的成分大致相同。然而，它不同于像地球这样以更复杂的方式形成的岩石行星的组成。

这项新研究的结果表明，巨行星可以保持一个反映它们形成的原行星盘的整体组成。

然而，与恒星相比，行星中的其他元素被耗尽了——佩尔蒂埃发现这一结果特别有趣。

“这些在WASP-76b的大气层中似乎缺失的元素正是那些需要更高温度才能蒸发的元素，例如钛和铝，”他说。“与此同时，符合我们预测的那些，如锰、钒或钙，都会在稍低的温度下蒸发。”

发现小组的解释是，观测到的巨行星高层大气的成分可能对温度极其敏感。根据元素的凝结温度，它将以气体形式存在于大气层的上部，或者凝结成液体形式，然后沉入更深的层次。当处于气体形式时，它在吸收光方面起着重要作用，可以在天文学家的观测中看到。当凝聚时，它无法被天文学家检测到，并且在他们的观察中完全消失。

“如果得到证实，这一发现将意味着两颗温度彼此略有不同的巨型系外行星可能拥有截然不同的大气层，”Pelletier说。“有点像两罐水，一罐在-1°C时是冷冻的，一罐在+1°C时是液态的。例如，在WASP-76b上观察到钙，但它可能不在一个稍微冷一点的星球。”

氧化钒的首次检测

Pelletier团队的另一个有趣发现是检测到一种叫做氧化钒的分子。这是第一次在系外行星上明确检测到它，天文学家对此非常感兴趣，因为他们知道它会对热巨行星产生重大影响。

“这种分子在地球大气层中起着与臭氧相似的作用：它在加热高层大气方面非常有效，”Pelletier解释说。“这导致温度随着海拔高度的增加而升高，而不是像通常在较冷的行星上看到的那样降低。”

一种元素，镍，在这颗系外行星大气中的含量显然比天文学家预期的要丰富。许多假设可以解释这一点;一个是WASP-76b可能从一颗类似于水星的行星吸积了物质。在我们的太阳系中，这颗小型岩石行星因其形成方式而富含镍等金属。

Pelletier的团队还发现，先前研究中报道的WASP-76b东西半球铁吸收的不对称性同样存在于许多其他元素中。这意味着导致这种情况的潜在现象可能是一个全球过程，例如温度差异或云存在于地球的一侧而不是另一侧，而不是像之前建议的那样凝结成液体形式的结果。

确认和利用经验教训

Pelletier和他的团队非常渴望了解更多关于这颗系外行星和其他超热巨行星的信息，部分原因是为了证实他们关于可能在温度略有不同的行星上普遍存在截然不同的大气层的假设。

他们还希望其他研究人员能够利用他们从这颗巨大的系外行星中学到的知识，并将其应用于更好地了解我们自己的太阳系行星以及它们是如何形成的。

“几代研究人员已经使用木星、土星、天王星和海王星测量的氢和氦丰度来衡量气态行星的形成理论，”Benneke说。“同样，对WASP-76b上钙或镁等较重元素的测量将有助于进一步了解气态行星的形成。

2023年6月14日发表在《自然》杂志上的“氧化钒和巨大系外行星上冷俘获的急剧开始”。