间隔地球630光年的当地下起了铁雨

文章来自“科学大院”大众号

作者：季江徽

在咱们太阳系内，绝大多数铁元素存在于地球或木星等行星的内核，可是最新的科学发现标明，在世界的其他地方可不必定是这样，比方：系外巨行星的大气中或许下起“铁雨”。

图片来自：ESO/ M. Kornmesser

WASP-76b：永久暮色下的铁雨

2019年，由欧洲多国天文学家组成的研讨团队使用欧洲南边天文台甚大望远镜(Very Large Telescope，VLT)的ESPRESSO(the Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations)高精度光谱仪观测到，间隔地球630光年的系外行星WASP-76b大气中有铁原子，发现铁原子会在该行星的背阳面（nightside，夜面）大气中冷凝成“铁雨”[1]。

WASP-76b是一颗公转周期仅有1.8天的超高温气态巨行星，这颗行星呈现为潮汐确认状况。这也就从另一方面代表着它的公转周期与自转周期相同，然后导致行星的向阳面（dayside, 昼面）一直朝向恒星。这就比方从地球上看月球只能看到月球的正面，正是因为月球被地球潮汐确认。在恒星激烈的辐射下，WASP-76b向阳面的大气温度高达2400°C，这颗行星的大气如此火热（挨近太阳外表温度(5500°C)的一半）足以使金属汽化。在这样的极点环境下，这颗行星大气特征和化学进程好像较为不寻常。

天文学家从前已观测到超短周期系外行星大气中的金属元素，也发现了行星昼夜面存在显着的温差[2-6]，可是在WASP-76b上初次观测到了铁原子在晨昏线上的不均匀散布。在凌星观测中，能够终究靠行星大气透射谱来解译其大气成分。考虑行星自转时的多普勒效应，WASP-76b东西两边边际接近和远离观测者的速度体现为，大气透射谱中铁原子吸收特征关于凌星中心时间对称散布的红移或蓝移(图1)。而在整个凌星进程中，铁原子吸收特征以蓝移为主，这标明铁原子简直都散布在向阳面至背阳面的晨昏线上，意味着在这交界处具有丰厚铁蒸气。实践丈量到的蓝移值大于行星自转发作的蓝移，故WASP-76b外表还存在必定速度的纬向风将铁原子自向阳面吹向背阳面。研讨人员估测铁蒸气在背阳面凝聚构成“铁雨”，然后从大气落回行星外表，因而没有发现铁蒸气的踪迹。

从太阳系演化模型来说，咱们所了解的太阳系行星中所含的重元素（例如铁）均来自太阳星云，现在绝大部分存在于类地行星（例如地球）或巨行星的内核。可是这颗系外行星的大气中竟然也有许多铁元素，令人十分惊奇。

经过了解系外行星大气观测办法，咱们或许能够端倪WASP-76b大气中铁元素的来历，这或许与其构成演化有关。

图1 a.WASP-76b凌星进程，b.铁原子吸收特征的示意图 [1]

不或许的使命：丈量近千光年外行星的大气成分

天文学家一般使用直接成像法和凌星法来研讨系外行星大气。

直接成像法[7]在可见光波段和红外波段的观测，可直接取得行星大气中各类分子谱线特征，如H2O、O2、O3、CH4、CO2等鉴别生命信息的重要成分，即为所谓的“化学指纹”。经过凌星法[7]勘探并比较恒星在被行星讳饰前后的光谱改变，即可取得行星大气的化学成分。

比方当行星盘绕恒星运行时，观测者能够记载行星与恒星一起亮度关于轨迹相位的改变曲线(相曲线，如图2)。

图2 热木星 HD 189733b 的在 4.5 m 波段的相曲线[8]

详细而言，当发作主凌时(Primary Eclipse / Transit)，行星在恒星前方，遮挡恒星光，很少部分的恒星光穿过行星外缘的大气。大气吸收越强，恒星亮度下降就越多，由此可得到的透射谱可用于研讨晨昏线上的行星大气成分。当发作次凌时（Secondary Eclipse），行星处在恒星后方，若在近红外或中红外波段比较凌食前后行星与恒星累加亮度的改变，便可得到行星的热发射谱及行星昼面大气的温度散布 (图3)。哈勃空间望远镜供给了许多系外行星大气的主凌透射谱，而大部分的次凌热发射谱勘探则来自 Spitzer空间望远镜。

图3 主凌(左),次凌(右)[9]

凌星法勘探接近宿主恒星的热木星和超级地球的行星大气，而直接成像法首要勘探离恒星较远的年青气态巨行星大气。

那么它们别离看到了什么样的大气呢？

热木星、“超级地球”及宜居行星的大气

热木星离宿主恒星近且其温度极高，更易进行大气观测。热木星吸收了许多恒星的可见光，在红外波段有许多的辐射，但在可见光波段十分暗，所以对热木星的大部分观测都是在红外波段。一般以为热木星大气成分与太阳系内的木星、土星大气相似，首要是由H、He构成的来自星云中的原始大气。热木星大气中还含有由O、C、N元素组成的H2O、CO、CH4等物质[10]，这些物质标记了热木星大气的首要特征谱线。除了介绍的WASP-76b大气中的铁原子，在HD 209458b, WASP-17b等热木星中还发现了Na和K等碱金属元素[11-12]。

因为热木星处于潮汐确认状况，其昼面永久面向恒星。热木星的大气环流将大气所吸收的恒星辐射能量从头散布，若没有热木星大气的环流效果，则昼夜面温度差异会很大，且最热的区域会坐落宿主恒星直射的星下点。热木星大气环流的原理相似于地球上的哈德利环流（Hadley Circulation）(图4)，因为行星外表受热不均匀，行星赤道邻近取得更多热量，较热的气体团会往上、向南北极方向运动, 遇冷后下沉再往赤道方向回流。

除了沿行星外表的环流，热木星或许还会发作纵向的大气逃逸。2018年，天文学家在热木星WASP-107b[14]的近红外波段大气透射谱中观测到了高层大气中He原子的强吸收特征，这标明该行星有一个延展大气，正以1010-3 1011g·s-1的速度逃逸，该进程有或许将其转化为海王星质量的超短周期行星。

图4哈德利环流[13]

超短周期行星(Ultra-short period planets, USPs)一般指公转周期小于1天的系外行星(图5)，这些行星处于潮汐确认态。现在已发现并承认的4000余颗系外行星中约有100颗超短周期行星，例如55 Cnc e是第一颗被发现的超短周期行星[15]，周期约为17.5小时。现在已知的公转周期最短的行星KOI-1843.03公转一周仅需4.25小时[16]，这可真是度年如时！

图5系外行星族群轨迹周期及质量散布(Credit：exoplanet)

与热木星不同的是，现在观测到的大部分超短周期行星归于“超级地球”，一般指质量在 1-10 M⊕的岩石行星。因为“超级地球”的质量和半径比热木星小许多，因而观测和研讨它们的大气极具应战。因为间隔宿主恒星极近，超短周期行星的大气比较其他“超级地球”更简单观测。迥异于气态巨行星坚持的原始大气，岩石行星大多为次生大气，而超级地球的大气构成和演化会与太阳系的“亲属”发作极大差异。

宜居行星的大气更为天文学家和大众所重视，可是并不简单取得。天文学家将行星体系中适宜生命存在的行星轨迹规模称为“宜居带”。行星与宿主恒星相隔一段适宜的间隔，使其外表平均温度能够保持液态水安稳存在。一起，恒星辐射和活动性不能太强，如行星环绕一颗红矮星工作，而红矮星紫外辐射很强，会使得行星大气中的水分子、二氧化碳分子发作光致电离，也有必定的或许剥离行星大气。一般可经过寻觅行星大气光谱中的“化学指纹”（O2、O3、CO2和CH4等）来判别宜居行星是否适宜生命存在。

现在天文学家已发现数十颗宜居带行星，这些天体基本上均散布在红矮星周围。例如，间隔咱们最近的恒星比邻星周围发现的宜居带类地行星“比邻星b”（ Proxima b）(图6)，它是一颗间隔地球只要4.2光年的岩石行星，这颗行星相同或许存在液态水。近期研讨标明CO2和N2等大气成分和100 ~ 5000毫巴大气压力的组合能够维护“比邻星b”大气免受强恒星耀斑活动的紫外辐射损坏[17]，保持其外表的宜居性。这或许意味着，系外行星大气或许具有与地球不同的条件，使地外生命能够应对高紫外线辐射的环境。

人类之所以要观测系外行星大气，终极目标是为了寻觅宜居行星或地球2.0，相关的测验也渐渐变得多。

图6 比邻星体系与内太阳系比照Credit: ESO等

征程：寻觅下一个家乡

现在大部分已勘探到的系外行星均由美国国家航空航天局（NASA）发射的Kepler望远镜发现。NASA新发射的TESS望远镜[18]方案在两年的使命期间发现约20,000颗系外行星，估计发现大约500颗R⊕的类地行星。未来，欧洲航天局(ESA)的PLATO使命[19]将勘探类太阳恒星的宜居带内的类地行星，确认这些行星体系的宜居性。JWST、ARIEL等使命亦将对系外行星大气进行许多观测，以更高的分辨率和更大的波长掩盖研讨行星大气中是否有水或其他生命存在特征，了解不一样行星大气的特征和演化，提醒行星体系构成规则。

我国也在活跃布置自己的系外行星空间勘探项目。我国科学院“空间科学（二期）”战略性先导科技专项前瞻性布局了系外行星勘探方向。“近邻宜居行星巡天方案”是其间正在推动的项目之一，方案经过发射一个1.2米口径的高精度天体丈量空间望远镜，完成微角秒级星距离的丈量精度，巡查太阳系近邻32光年外100个类太阳恒星（“一巡”），勘探宜居带类地行星或超级地球（“二探”），普查近邻行星数目、实在质量和三维轨迹等信息（“三察”），预期会发现数十颗宜居带行星和超级地球。

依据我国航天科技集团有限公司的发布，我国2030年前后将展开太阳系近邻宜居行星太空探究方案——“觅音方案”。该方案将经过发射空间飞行器，以直接成像的手法发现和证认太阳系外宜居行星并描写其宜居性。

我国载人空间站大将搭载的高比照度系外行星成像仪，使用直接成像法来研讨系外行星大气，供给系外生命的或许头绪。

“咱们的征程是星斗大海”，这些研讨将终究答复「太阳系是否很特别」或「咱们在世界中是否仅有」等科学问题，并让人类更深刻地了解地球和太阳系的构成演化进程，以及充分地知道生命的实质和来源，从而更深刻地了解咱们本身。

参考文献:

[1] Ehrenreich D, Lovis C, Allart R, et al. Nature, 2020, in press

[2] Fossati L, et al. ApJL, 2010, 14: L222

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[18] Ricker G R. BAAS, 2015, 47: 6

[19]Demetrio M, Roberto R, Heik R, et al. Proceedings of the SPIE, 2018, 10698: 10

作者单位：我国科学院紫金山天文台

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