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系外行星大气层中氦气是如何逸出的?

2019-09-25

虽然氦在地球上是稀有元素,但是在宇宙中却无处不在——它在宇宙中的存量仅次于氢,是构成恒星和气态巨行星的主要成分。尽管氦含量异常丰富,但是据《科学》杂志12月6日刊发的一篇研究论文称,直到Z近,一个由瑞士国家行星研究竞争力中心(National Centre for Competence in Research PlanetS,简称NCCRs)和日内瓦大学(UNIGE)天文学家们所领导的国际研究团队才在一颗气态巨行星的大气层中探测到氦元素的存在。该研究小组首次详细观察了这些气体从一颗系外行星过热的大气层中逸出的过程。


自2000年以来,天文学家就预言,这些围绕着其他恒星运行的行星可能是追踪研究系外行星大气层的Z 佳对象之一,不过他们花了18年的时间才真正发现了氦的踪迹。氦之所以很难被发现,是因为它所具有的特殊观测特征之一是其光波位于红外波段内,超出了以前使用的大多数仪器的观测范围。今年早些时候,研究人员借助于哈勃太空望远镜,才获得了这一发现,然而事实证明这些观测数据很难解读。UNIGE的科学家便把目光转向了另一台配备了一种全新仪器——名为“卡梅内斯”(Carmenes)的摄谱仪——的太空望远镜。

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这一设备的高光谱分辨率使研究小组能够观察探测到一颗海王星大小的系外气态行星高层大气中氦原子的位置和运动速度。这颗行星比地球大4倍,被命名为“HAT-P-11”,位于天鹅座,距离地球124光年,可以被看作是一个“火热的海王星”(气温为550°C)。它离宿主恒星的距离要比地球到太阳的距离近20倍。该论文的第 一编辑、UNIGE博士生罗马恩·阿拉特(Romain Allart)先容道:“大家怀疑这行星与恒星的接近程度可能对这颗系外行星的大气状况产生了影响。这次Z 新的观测结果是如此精 确,以至于研究人员能够确认这颗系外行星的大气层无疑是在恒星辐射的影响下膨胀并逃逸到太空中的。”


这些观测结果得到了该论文的共同编辑、文森特·布里尔(Vincent Bourrier)领导的数值模拟运算实验结果的验证与支撑,他是欧洲研究委员会(ERC)资助的“系外行星高层大气典型特征的前景光谱研究”(FOUR ACES)的项目成员。借助这个模拟实验,他们才得以追踪氦原子的运动轨迹。布里尔说明道:“氦原子以每小时一万多公里的速度从该行星白天的一面被吹到夜晚的一面。由于它是一种非常轻的气体,所以很容易就从行星的引力中逃逸出来,并在其周围形成一个广阔的云团。”正是这个原因,HAT-P-11b呈现出了充气后的氦气球的形态。


此外,这一观测结果为观察研究温度Z 高的系外行星上普遍存在的极端大气环境打开了新的窗口。“卡梅内斯”的观测结果实际上是对长期以来人们认为只有在太空才能进行这类研究的论断的否认和纠正;只要为地面的太空望远镜配备适当的仪器,让其达到更高的精度,这类研究在地球上也是可行的。该论文的另一编辑、UNIGE高级讲师克里斯托弗·洛维斯(Christophe Lovis)感叹道:“现在就是追踪捕捉系外行星大气特征的令人激动的时机。”事实上,UNIGE的天文学家们也正积极参与设计和开发了两种类似于“卡梅内斯”的Z 新高分辨率红外光谱仪。其中一台名为“斯皮罗”(SPIRou)的卫星刚启动一个位于美国夏威夷观测项目,而UNIGE天文系的科学家则负责对“近红外行星搜索器”(NIRPS)进行首次运行测试,该探测器将于2019年底在智利建成投入营运。洛维斯展望道:“未来的这些研究成果将提升科学界对使用这些仪器的兴趣。它们的数量和地理分布将使大家的视角能够覆盖整片天空,以便寻找正在蒸发中的系外行星。”


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