系外行星Astrolábos的夜晚总是黑暗而暴风雨。
在那里,在远离其主星WASP-43的永久阴影中,这颗气态巨星(也称为WASP-43b)的天空中布满了碰撞的云层,但这还不是全部。这颗系外行星离恒星如此之近,以至于即使在晚上,它的温度也会被蒸发岩石的热量烧焦——这意味着这些云很可能是由矿物组成的。
德国马克斯·普朗克天文研究所的天文学家Laura Kreidberg说:“凭借JWST的新观测能力,WASP-43b以前所未有的细节亮相。”。
“我们看到了一个复杂而不适宜居住的世界,狂风大作,温度发生了巨大变化,云层可能由岩滴组成。WASP-43b提醒我们,系外行星可能存在多种气候,地球在许多方面都很特殊。”
Astrolábos于2011年被发现,当时它是有史以来发现的轨道距离最近的“热木星”系外行星,其大小和质量与木星差不多,但轨道周期仅为19.2小时。
这些热木星是一个谜:根据我们对行星形成的理解,它们离恒星太近了,不可能在那个位置形成,因为恒星的辐射和风会将任何这样做的尝试扼杀在萌芽状态。这表明它们在更远的距离形成,并以某种方式向内螺旋运动。
我们现在已经发现了足够多的热木星,这表明这个过程一定并不罕见。它们的特性使它们成为研究外星行星系统的优秀实验室。它们中的许多都经过宿主恒星——也就是说,它们在轨道上经过我们和恒星之间。短轨道意味着它们经常这样做。
这意味着我们可以探测它们的大气层。当热木星从我们和恒星之间经过时,恒星的一些光穿过系外行星的大气层,在那里一些波长被原子和分子吸收或放大。科学家可以观察光谱,看看哪些波长更强或更弱,并确定哪些元素会改变光。
恒星光线亮度的变化,以及它在电磁光谱中的变化,也可以揭示这颗系外行星发出了多少光,一旦减去恒星的反射光,就可以揭示这棵系外行星释放了多少热量。
然而,信号非常非常小,这就是短轨道周期派上用场的地方:信号可以通过叠加多次凌日的数据来增强,或者可以一下子观察到整个轨道周期。
如何在恒星不断变化的光线中测量系外行星凌日。(ESA)
这种类型的分析以前已经使用哈勃数据对Astrolábos进行过;当时的天文学家在这颗系外行星的大气层中发现了水蒸气的证据。现在,更强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经投入使用,我们对是什么让Astrolábos的大气层运转有了更多的了解。
JWST连续27小时观测Astrolábos,以测量其温度梯度。(Taylor J.Bell/BARI/NASA/MPIA)
利用中红外JWST观测,科学家们能够测量这颗系外行星的温度。因为它离恒星太近了,所以Astrolábos就是我们所说的“潮汐锁定”:一侧永远面向恒星,在白天燃烧,另一侧永远在夜晚。两个半球之间有一个陡峭的温度梯度。白天的温度为1250摄氏度(2282华氏度),而夜晚的温度不到这个温度的一半,为600摄氏度(1112摄氏度)。
这是一个比在晴朗无云的大气中预期的更陡的梯度。计算模型证实了这一点:Astrolábos相对较冷的夜晚,其大气层高处可能有云层,阻挡了大部分来自下方的红外辐射。相比之下,白天是没有云的;太热了,云无法形成。
JWST的数据也让我们对这颗系外行星的大气层成分有了更多的了解。它证实了水的存在;但对甲烷的搜索也一无所获,这令人惊讶。甲烷预计会在高温木星的夜晚由一氧化碳和氢气的反应形成。
Astrolábos上甲烷的缺乏可能与温度梯度有关,温度梯度会产生高达每小时9000公里(5000英里)的强风。这将使产生甲烷所需的任何物质快速通过夜侧,以至于分子根本没有时间形成。
英国开放大学的天文学家乔安娜·巴斯托解释道:“如果风能足够快地将气体从白天吹到夜晚,然后再吹回来,那么预期的化学反应就没有足够的时间在夜晚产生可检测到的甲烷。”
这表明Astrolábos的大气层在化学上一直是一致的,这是以前的测量无法得出的推论。但研究人员在大气层中发现的惊喜也表明,我们需要谨慎地假设系外行星可能在做什么。
他们说,未来的研究应该试图探索不对称加热对极端外星世界的更广泛影响。
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