晝夜溫差達到1000℃？「熱木星」之謎解開了

美國國家航空暨太空總署/歐洲太空總署通過將哈勃太空望遠鏡對25顆熱木星[1][2]的觀測數據交給一個國際天文學家團隊進行分析，使得他們對五個長期存在的關於太陽系外行星的問題有了新的理解，這項研究發表在《天體物理學雜誌增刊》[3]上，是迄今為止對系外行星大氣進行的最大調查之一。

歐洲太空總署公佈了一組太陽系外「熱木星」（ Hot Jupiters ）的模擬圖。

熱木星是一種氣體巨星，圍繞其恆星運行，通常在10天內完成。雖然在我們的太陽系中沒有熱木星，但它們是太陽系外常見的一種行星。

通過使用大量系外行星樣本和分析大量數據，研究人員能夠確定趨勢，並解決多年來小型研究無法最終回答的問題。

在這些發現中，研究人員發現，熱木星的晝側和夜側非常不同，溫度從白天到晚上下降了數百攝氏度（研究人員發現平均差異為1000°C）。

他們還發現，許多熱木星有熱倒轉的大氣，也被稱為平流層——也就是說，它們的上層大氣溫度隨著海拔的升高而升高。這似乎是由於金屬元素（氧化鈦、氧化釩和鐵氫化物）的存在吸收了恆星的光，從而加熱了大氣。這是一個類似的現象發生在地球上通過臭氧層。

研究人員還證實，在最熱的行星上，分子正在分解；他們發現一些行星的水含量比預期的要少，這表明它們的形成方式與水含量更高的行星不同；他們檢測到的金屬比模型預測的要多，這意味著這些行星的形成可能與之前認為的不同。

研究人員表示，更好地瞭解系外行星將有助於解決有關太陽系演化的問題。

這項新工作由倫敦大學學院（ UCL ）的研究人員領導，使用在單個系外行星大氣調查中檢查的最大數量的檔案數據來分析25顆系外行星的大氣層。大部分數據來自 NASA / ESA 的哈勃太空望遠鏡的觀測。主要作者 Quentin Changeat 解釋說：「哈勃太空望遠鏡能夠對25顆系外行星進行深入的表徵，我們瞭解到的關於它們的化學和形成的資訊量——由於十年的密集觀測活動——令人難以置信。」

科學團隊試圖找到關於系外行星大氣層的五個開放問題的答案——他們的問題探討了 H 和某些金屬可以告訴我們的系外行星大氣的化學和迴圈以及行星的形成。他們選擇調查各種各樣的熱木星，目的是確定其樣本種群中的趨勢，這些趨勢可能會更廣泛地提供對系外行星大氣層的見解。該研究的聯合負責人，倫敦大學學院的比利·愛德華茲（ Billy Edwards ）和原子和能源替代方案委員會（ CEA ）說：「我們的論文標誌著該領域的一個轉捩點：我們現在正在從單個系外行星大氣的特徵轉向大氣種群的特徵。」

為了調查他們的25顆系外行星樣本，該團隊重新分析了大量的檔案數據，包括600小時的 Hubble 觀測，他們補充了史匹哲太空望遠鏡（ Spitzer Space Telescope ）[4]400多個小時的觀測。他們的數據包含所有25顆系外行星的日食，以及其中17顆系外行星的凌日。當系外行星從地球上看到的系外行星經過其恆星後面時，會發生日食，當行星經過其恆星前面時，就會發生日食。日食和凌日數據都可以提供有關係外行星大氣層的關鍵資訊。

在對這些數據分析以後，該團隊能夠確定系外行星大氣體質與觀測行為之間的一些明顯趨勢和相關性。他們的一些主要發現與系外行星樣本大氣中存在或不存在熱反轉有關。他們發現，幾乎所有具有熱倒置大氣層的系外行星都非常熱，溫度超過2000開爾文。重要的是，這是足夠熱的，金屬物質 TiO （氧化鈦）， VO （氧化釩）和 FeH （氫化鐵）在大氣中是穩定的。在顯示熱反轉的系外行星中，幾乎所有的系外行星都被發現在大氣層中含有 H-，TiO，VO 或 FeH 。

從這些結果中得出推論總是具有挑戰性的，因為相關性不一定等於因果關係。然而，該團隊提出一個令人信服的論據，說明為什麼 H-，TiO，VO 或 FeH 的存在可能導致熱反轉——即所有這些金屬物種都是恆星光的非常有效的吸收者。可能是系外行星大氣層的溫度足以維持這些物種，它們往往會被熱倒置，因為它們吸收了太多的恆星光，以至於它們的高層大氣會進一步升溫。相反，研究小組還發現，較冷的熱木星（溫度低於2000開爾文，因此大氣中沒有 H-，TiO，VO 或 FeH ）幾乎從未有過熱倒置的大氣層。

這項研究的一個重要方面是，該團隊能夠使用大量的系外行星樣本和極其大量的數據來確定趨勢，這可以用來預測其他系外行星的行為。這是非常有用的，因為它提供了對行星如何形成的見解，也因為它允許其他天文學家更有效地計劃未來的觀測。相反，如果一篇論文非常詳細地研究了一顆系外行星，雖然這很有價值，但從中推斷趨勢要困難得多。對系外行星種群的更好理解也可以使我們更接近於解決有關我們太陽系的開放謎團。正如 Changeat 所說：「儘管我們有能力獲得原位測量，但許多問題，例如地球上水的起源，月球的形成以及地球和火星的不同進化歷史仍未得到解決。大型系外行星種群研究，例如我們在這裡介紹的研究，旨在了解這些一般過程。」

參考來源：

[1]Hot Jupiters: Origins, Structure, Atmospheres (wiley.com)

[2]Hot Jupiter – Exoplanet Exploration: Planets Beyond our Solar System (nasa.gov)

[3]Five Key Exoplanet Questions Answered via the Analysis of 25 Hot-Jupiter Atmospheres in Eclipse – IOPscience

[4]史匹哲太空望遠鏡 – 维基百科，自由的百科全书 (iwiki.uk)

[5]ESA – Hubble observations used to answer key exoplanet questions