系外行星大气中最重的元素:钡

系外行星大气中最重的元素:钡

天文学家在遥远的系外行星大气中发现了钡。 有了它的 56 个质子,你必须比天文学家通常在元素周期表中走得更远才能找到钡。 在系外行星大气中发现如此重的元素意味着什么?

这意味着我们仍在了解系外行星有多奇怪。

自从天文学家在 1990 年代中期发现第一个系外行星以来,我们在系外行星科学方面取得了很大进展; 我们现在知道有数千个。 2001 年,使用哈勃望远镜数据的研究人员率先观察了系外行星大气,从而确定了钠。 有人说这是幸运的,不会再发生了。 男孩,他们错了吗?

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现在我们有能力比以往更详细地描述系外行星大气的特征。 我们最强大的望远镜之一是欧洲南方天文台 (ESO) 的超大望远镜 (VLT)。一项基于 VLT 及其 ESPRESSO(岩石系外行星阶梯光谱仪和稳定光谱观测)仪器的新研究提供了钡在两个超高温气体巨星的大气层。

这项研究是“在超热气体巨星 WASP-76b 和 WASP-121b 的大气中检测钡”。 主要作者是博士托马斯·阿泽维多·席尔瓦。 波尔图大学和葡萄牙的 Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) 的学生。 天文学和天体物理学杂志发表了这项研究。

WASP-76b 和 WASP-121b 都是超热木星。 WASP-76b 之所以出现在新闻中,是因为据报道在其大气中检测到铁,以及这颗潮汐锁定的行星可能会经历铁雨。 后续研究对数据提出了其他解释,但系外行星科学家仍然对这颗行星非常感兴趣。

此 WASP-76b 插图基于 2020 年 5 月可用的数据。作为一个备受关注的对象,数据不断涌入。图片来源:Trurle - Own work,CC BY-SA 4.0,https://commons.wikimedia。 org/w/index.php?curid=89954341
这张 WASP-76b 的插图基于 2020 年 5 月的可用数据。作为一个备受关注的对象,数据不断涌入。图片来源:Trurle – Own work,CC BY-SA 4.0,https://commons.wikimedia。 org/w/index.php?curid=89954341

WASP-121b 也值得注意。 这是研究人员在其平流层中发现水蒸气的第一颗系外行星。 两颗行星都非常靠近它们的恒星,并且轨道周期不到两天。 两颗行星都围绕与太阳相似的恒星运行,表面温度高于 1000 摄氏度(1830 华氏度)。

艺术家对热木星 WASP-121b 的概念图。 一项新的研究在其大气中发现了钡。 使用 Engine House VFX 生成的图像。 图片来源:布里斯托科学中心/埃克塞特大学
艺术家对热木星 WASP-121b 的概念图。 一项新的研究在其大气中发现了钡。 使用 Engine House VFX 生成的图像。 图片来源:布里斯托科学中心/埃克塞特大学

这两个行星都以拥有奇异的大气层而闻名,但钡的发现增强了人们对它们的兴趣。 对于行星高层大气中的钡,目前还没有现成的解释。 “令人费解且违反直觉的部分是:为什么这些行星的大气层上层存在如此重的元素?” 主要作者阿泽维多席尔瓦说。

两颗木星大小的行星都具有强大的引力,可以将钡等重元素吸引到它们的表面。 但取而代之的是,比铁还重的钡在两颗行星的高层大气中高高飘扬。 “鉴于行星的高引力,我们预计像钡这样的重元素会迅速落入大气层的较低层,”共同作者、波尔图大学和爱荷华州的另一位研究员 Olivier Demangeon 解释说。

钡本身并不在上面。 这些行星的大气层是我们大气层外来化学物质的奇异混合物。 研究人员发现钡时并不是在寻找它。 他们正在研究奇怪的大气,作为限制大气成分和动力学的一部分。 正如他们在论文中所说,他们还想为“……为关于它们的形成和进化环境的新研究奠定基础”。

“这在某种程度上是一个’偶然’的发现,”阿泽维多席尔瓦说。 “我们没有特别期待或寻找钡,因此不得不交叉检查它是否真的来自这颗行星,因为它以前从未在任何系外行星上见过。” 该团队还在大气中发现了钒、锂、锰和其他元素。 但钡是在系外行星大气中发现的最重的元素。

研究中的两颗行星非常适合大气研究。 在这些大气中发现钡是我们可以预期在其他超热木星中发现它们的信号吗? 也许。 “WASP-76b 和 WASP-121b 都代表了目前可用的一些最高 S/N 数据集,两者都存在
研究的行星中的一些可能表明,这种重物质在超热木星的大气中很常见,”该论文指出。

除非我们正在观看烟花汇演,否则地球大气中没有钡。 它是如何进入这些行星的高层大气的? “目前,我们不确定机制是什么,”Demangeon 解释说。

当涉及到这些机制时,团队不会过度扩张自己。 在他们的论文中,他们写道:“这些重电离物质在高海拔的超热木星大气中的存在可能是意想不到的大气动力学的证据。” 进一步的研究将揭示这些动态是什么。 谁知道在这些大气中等待我们的是什么发现?

行星逃逸可能在探测中起作用。 是一种未知的机制将重元素赶走吗? 观察结果表明,在 WASP-121b 上检测到的钙似乎超出了地球的罗氏叶。 “最后,我们还证实了 Ca+ 在 WASP-121b 上的明显不对称吸收特征,在较蓝的波长处有过量吸收,并且在罗氏叶以外的有效行星半径,暗示该信号可能来自行星大气逃逸。”

这不会是研究这些行星的最后一组研究人员。 靠近恒星的巨大气态行星提供了一个很好的机会来研究它们的大气层,因为它们的星光穿过它们。 由于轨道周期不到两天,两颗行星都很容易用强大的望远镜和仪器观测到。 “由于气态和高温,它们的大气层非常广阔,因此比那些更小或更冷的行星更容易观察和研究,”Demangeon 说。

不过,对这些结果有一些谨慎的理由。 当研究人员在 WASP-76b 中发现铁并且铁可能会像雨一样落下时,人们注意到了。 想象一个与我们的世界如此不同以至于可以下雨的世界并不容易。 但是,另一项研究对铁雨的发现提出了质疑。 目前,科学家们不确定是否有铁雨。

进一步的研究会质疑这种钡检测吗?

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