“哈勃”探測到發(fā)光水汽圈的外星球

伊麗莎白·蘭德

系外熱木星WASP-121b首度被天文學(xué)家證明其擁有同溫層， 該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》期刊上。熱木星是太陽系外的氣體巨行星，且通常非常接近它們的母恒星?？茖W(xué)家利用從美國航空航天局哈勃空間望遠(yuǎn)鏡獲取的數(shù)據(jù)研究了WASP-121b， 發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量是木星的1.2倍，半徑約為木星的1.9倍，因而它的體積更為龐大。此外，WASP-121b圍繞母恒星的運(yùn)行軌道比水星的運(yùn)行軌道更低，這使得它的公轉(zhuǎn)周期僅為1.3天。要知道，木星繞太陽公轉(zhuǎn)一周要12年。而且，因為WASP-121b距離它的母恒星非常近，該行星大氣層的頂部溫度可達(dá)2500℃，足以將一些金屬煮沸。據(jù)估計，WASP-121b距地球約900光年，這在銀河系的尺度上可以說很近。

研究作者之一、加利福尼亞硅谷的美國航空航天局艾姆斯研究中心的馬克·馬利說：“這個結(jié)果令人興奮，因為它表明，不僅太陽系大多數(shù)行星的大氣層中有一個溫暖的同溫層，在某些外行星的大氣層中也存在同溫層?，F(xiàn)在，我們就可以將外行星大氣層中的一些動態(tài)與不同環(huán)境下太陽系中行星大氣層的同一動態(tài)進(jìn)行比對了。”

早先的研究發(fā)現(xiàn)，在外行星WASP-33b和其他熱木星上可能存在平流層。而在這項最新研究中，研究人員首次檢測到了熾熱的水分子，為此提供了最佳證據(jù)。

來自英國埃克塞特大學(xué)的第一作者兼研究員湯姆·伊萬斯說：“理論模型表明，同溫層能界定一類截然不同的超熱行星，對揭示其大氣物理和化學(xué)有著重要意義。我們的觀測則證實了這一設(shè)想?！?/p>

為了研究WASP-121b的同溫層，科學(xué)家利用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的光譜學(xué)性能研究了大氣中不同分子對特定光波的反應(yīng)。例如，行星大氣中的水蒸氣對某些光波的反應(yīng)是可以預(yù)測的，而且水溫不同反應(yīng)不同。

星光可以穿透行星的大氣層，從而使大氣層中的氣體溫度升高。之后，氣體再以紅外光的方式將熱量輻射回太空中。然而，如果大氣層頂部的水蒸氣溫度較低，水分子會使得紅外光中的某些光波無法逃出太空。相反，如果大氣層頂部的水分子溫度較高，則會折射出同等波長的光。

研究報告作者之一、加利福尼亞州帕薩迪納市美國航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室的蒂芙尼·卡塔里亞說：“光能從水中散發(fā)出來，這說明隨著高度升高，氣溫也在升高。我們迫不及待地想用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡來觀測探究這種現(xiàn)象在哪個經(jīng)度上存在?！?/p>

這一現(xiàn)象的產(chǎn)生跟焰火的原理相似。焰火之所以能呈現(xiàn)出各種顏色，是因為有著可以散發(fā)出光的化學(xué)制品。當(dāng)金屬物質(zhì)受熱蒸發(fā)時，它們的電子進(jìn)入高能量狀態(tài)。電子在它們失去能量時會發(fā)出特定波長的光，材質(zhì)不同發(fā)出的光不同。例如，在這個過程中，鈉會發(fā)出橙黃色光，而鍶發(fā)出紅色光。同樣，WASP-121b大氣層中的水分子在它們失去能量時也會散發(fā)出輻射，但這一輻射是紅外光的形式，肉眼無法直接觀測到。

在地球的同溫層中，臭氧氣體吸收來自太陽的紫外線輻射，從而使該區(qū)域的大氣層升溫。太陽系的其他星體也有同溫層，例如，甲烷使得木星和土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六的大氣層得以升溫。

在太陽系行星中，同溫層內(nèi)部的溫度通常在56℃左右。在WASP-121b上，同溫層的溫度則上升了560℃。到目前為止，科學(xué)家尚未得知是哪種物質(zhì)導(dǎo)致了WASP-121b大氣層中溫度的升高。或許是氧化釩和氧化鈦，它們是褐矮星中常見的物質(zhì)。褐矮星也被叫作“失敗的星體”，與外行星有些許共同之處。這些化合物本應(yīng)只在最熱的熱木星上存在，因為只有在高溫條件下，它們才能呈現(xiàn)氣態(tài)。

研究論文的作者之一、馬里蘭州格林貝爾特市美國航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的漢娜· 蘇克福德說：“這個超熱的外行星將成為大氣模型的基準(zhǔn)，而且它將是我們進(jìn)入Webb時代的一個巨大的觀測目標(biāo)?！?