为什么有些行星会比恒星热呢?

画家对KELT-9 b的想象图，橙色的球体围绕着一颗蓝色恒星运行。 图源：作者Léa Changeat提供

直到21世纪初，我们所知的行星都位于我们的周围——太阳系。它们大致分为两类：位于太阳系内部的小型岩石行星和位于太阳系外部的寒冷气态行星。随着系外行星的发现，即围绕除太阳以外的恒星运行的行星，又发现了其他种类的行星，一幅新的画面开始浮现。我们的太阳系绝不是最典型的星系。

例如，开普勒任务的数据显示，大型气态系外行星不像太阳系行星那样离恒星很远，它们的运行轨道可以离恒星很近，这导致它们的温度超过1000K（727°C）。这些系外行星被称为“热”或“超热”木星。尽管大多数系外行星都比较小，大小介于海王星和地球之间，但我们对它们的组成知之甚少。

但是，炽热的气态行星是如何在离恒星如此近的地方形成和存在的呢？这里发生了什么样的极端物理过程？这些问题的答案对我们理解系外行星和太阳系行星有很大的影响。我们发表在《天体物理学杂志通讯》上的研究中，我们为行星的形成和演化之谜增添了新的线索。

Kelt-9 b

目前已知最热的系外行星是2016年发现的Kelt-9 b。Kelt-9 b绕着一颗温度是太阳两倍的恒星运行，两者的距离是水星与太阳距离的十倍。它是一颗巨大的气态系外行星，半径是木星的1.8倍，温度达到5000K。这比宇宙中80%的恒星都要热，温度与太阳接近。

KELT-9 / HD 195689的位置——非常接近天鹅座中的Cygnus。 图片来源：由CARTES DU CEIL / JAMIE CARTER提供

本质上，热木星是了解极端物理和化学过程的窗口。它们提供了一个绝佳的机会，可以在地球上几乎不可能复制的环境中研究物理。研究它们可以加深我们对化学和热过程、大气动力学和云形成的理解。了解它们的起源也可以帮助我们改进行星的形成和演化模型。

我们仍在努力探寻行星是如何形成的，以及水等元素是如何进入我们的太阳系的。为了找到答案，我们需要通过观察它们的大气层来了解更多关于系外行星的组成。

大气的观测

研究系外行星大气主要有两种方法。在凌日法中，我们可以捕捉到当这颗系外行星从其主恒星前面经过时穿过其大气层的恒星光，从而发现那里存在的任何化学元素的痕迹。

研究行星的另一种方法是在“掩星”期间，当它从其主恒星后面经过时。行星也发出并反射一小部分光，因此，通过比较隐藏和可见的行星总光的微小变化，我们可以提取来自行星的光。

这两种类型的观测都是在不同的波长或颜色下进行的，而且由于化学元素和化合物吸收和发射的波长都是非常特定的，因此可以产生一个光谱(按照波长分解光)来推断行星大气的组成。

Kelt-9 b的秘密

在我们的研究中，我们使用了由哈勃太空望远镜获取的公开数据，来获得这颗行星的掩星光谱。

然后，我们使用开源软件提取分子的存在，发现有大量的金属(由分子组成)。这一发现很有趣，因为之前人们认为这些分子在如此极端的温度下不会存在——它们会分解成更小的化合物。

由于受到来自其主恒星的强大引力，Kelt-9b被“潮汐锁定”，这意味着行星的一面永远面对着恒星。这就导致了行星白昼面和夜晚面温差很大。由于掩星法观测的是更热的白昼面，我们认为观测到的分子实际上可能被来自较冷区域（如夜晚面）或行星内部较深区域，通过动力过程转移而来。这些观测结果表明，这些极端世界的大气是由复杂的过程所控制的，而我们对此知之甚少。

画家对绕其母星运行的Kelt-9 b的想象图。 图片来源：NASA/JPL-Caltech

Kelt-9b很有趣，因为它的倾斜轨道约为80度，这意味着其过去可能遭遇过撞击。事实上，这种现象也存在于这类行星的其它许多成员中。这颗行星很可能是在远离母星的地方形成的，当它向恒星内部迁移时发生了碰撞。这支持了这样一种理论，即大行星倾向于在原行星盘中远离其主恒星形成——其产生太阳系——在它们向恒星迁移时捕获气体和固体物质。

但我们不知道其发生的细节。因此，描述这些天体的特征对于确认各种情况和更好地理解它们的历史是至关重要的。

未来任务

哈勃太空望远镜等天文台并不是设计来研究系外行星大气。下一代太空望远镜，例如James Webb太空望远镜和Ariel任务，将具有专为严格观测系外行星大气而量身定制的更好的功能和仪器。它们将使我们能够解答关于极热木星行星类的许多基本问题，但并不仅限于此。

新一代的望远镜还将探测小行星的大气层，这是目前仪器难以到达的一类。尤其是预计于2029年发射的Ariel，它将观测大约1000颗系外行星，以解决系外行星科学中的一些最基本的问题。

Ariel还将是第一个深入研究这些星球大气层细节的太空任务。它最终会告诉我们这些系外行星是由什么组成的以及它们是如何形成和演化的。这将是一场真正的革命。

撰文：Quentin Changeat，伦敦大学学院天文学博士后研究员；Billy Edwards，伦敦大学学院天文学研究员。

翻译：杨小莉

审校：王艺静

引进来源：theconversation

本文来自：中国数字科技馆