最近，美国宇航局哈勃和斯皮策太空望远镜对超高温类木行星的观测令理论学家困惑不已。这些行星的光谱表明它们有奇特和不可能的成分。然而，由亚利桑那州立大学天体物理学家、亚利桑那州立大学地球与空间探索学院助理教授迈克尔·莱恩(Michael Line)组成的一个研究小组刚刚发表一项新研究提出了一种解释：这些富含气体的行星的组成基本上是正常的，与我们已知行星形成有关。它们的不同之处在于，它们白天的大气层看起来更像恒星大气层，而不是行星大气层。多年来，对这些类木行星中最热光谱进行解释一直是研究人员面临的一个棘手难题。
这些对超热木星WASP-121b的模拟图像显示，从5个不同的有利位置看，这颗行星可能是什么样子，每一个都被母星照亮了不同程度。这些图像是用计算机模拟得到，用来帮助科学家了解这些行星的大气层。超热木星几乎不反射光线，很像木炭。然而，它们的白天温度在3600华氏度到5400华氏度之间，所以它们会发出像余烬一样的光芒。因此，这张模拟图像中的橙色来自于行星自身的热量。图片：NASA/JPL-Caltech/Vivien Parmentier/Aix-Marseille University (AMU)
博科园-科学科普：最令人困惑的是为什么这些星球的大气中似乎没有水蒸气，而在相似但温度稍低的行星中水蒸气含量却很高。根据这项新研究，超高温木星确实拥有水的成分(氢和氧原子)。但是由于地球表面强烈的辐射，那里的温度高到水分子被完全撕裂。由于超热木星轨道非常接近恒星，行星的一面永远面对着恒星，而夜晚的一面被无尽黑暗所笼罩。白天的温度达到3600到5400华氏度(2000到3000摄氏度)，在已知最热的系外行星中，超热木星排名第一。晚上的温度大约是1800华氏度。在太阳系外不断增长的行星目录中（被称为系外行星）超热木星作为一个独特的类别已经存在了大约十年。
法国埃克斯马赛大学(Aix Marseille University)的天体物理学家薇薇恩·帕门提耶(Vivien Parmentier)说：这些行星的表面是火炉，它们看起来更像是恒星大气，而非行星大气。通过这种方式，超热木星会拉长我们认为行星的样子。虽然像斯皮策和哈勃这样的望远镜可以收集到一些关于超热木星日侧的信息，但是目前的仪器很难探测到它们的日侧。新研究提出了一个模型来解释这些行星的光照面和黑暗面可能发生的变化。这个模型很大程度上是基于最近发表的三项研究的观察和分析，这三项研究由帕门提尔、莱恩等人共同撰写，主要研究了三种超高温木星，WASP-103b、WASP-18b和HAT-P-7b。
类木系外行星是99%的氢和氦分子，水和其他分子的含量更少。但它们的光谱显示的结果很大程度上取决于温度。从暖到热的行星形成矿物质云，而温度较高的行星形成吸收星光的氧化钛分子。然而，为了了解超热的木星光谱，研究小组不得不求助于在恒星中更常见的过程。图片：Michael Line/ASU
这项新研究表明，由加热驱动的强风可能会把破裂的水分子吹到行星较冷的夜侧半球。在那里，原子可以重新组合成分子并凝结成云，所有这些都在回到白天被再次撕裂之前发生。从20世纪90年代中期开始，热木星是第一个被广泛发现的系外行星。它们是超热木星的近亲，白天温度低于3600华氏度(2000摄氏度)。水已经被证明在它们的大气层中是普遍存在的，因此当超热木星开始被发现时，天文学家们希望它们也能在大气层中显示出水。但结果证明，在它们容易观察到的白天，水却不见了，这使得理论家们开始寻找其他的，甚至是外来成分。
对于超热木星中为什么没有水的一个假设是，这些行星一定是由高水平的碳而不是氧形成。然而，这种想法并不能解释在白天与晚上的边界有时能发现水的痕迹。为了打破这一僵局，研究小组从完善的恒星大气物理模型以及被称为棕矮星的“失败恒星”中找到了线索。棕矮星的性质与热木星和超热木星有些重叠。许多早期的解释都遗漏了一些关键的物理和化学现象，而这些现象正是在超高温下发生。研究小组采用了一种由马克马利(Mark Marley)开发的褐矮星模型（马克马利是论文的合著者之一，也是美国宇航局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心的研究科学家）。
将超高温木星的大气比作炽热恒星，而不是传统意义上较冷的行星，这为斯皮策和哈勃的观测提供了一种解释方法。通过这些研究，将从研究恒星的天体物理学中获得一些已有百年历史的知识引入到研究外行星大气新领域。在这项研究中的作用是获取这些行星观测光谱，并仔细模拟它们的物理结构。这向我们展示了如何利用在极端条件下更有可能存在的气体来产生观察到光谱，这些行星不需要外来成分或不寻常的路径来制造它们。
博科园-科学科普｜博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Astronomy and Astrophysics》,《Astronomy & Astrophysics》｜研究/来自：亚利桑那州立大学，DOI: 10.1051/0004-6361/201833059
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