畫家對KELT-9 b的想象圖，橙色的球體圍繞著一顆藍色恒星運行。 圖源：作者Léa Changeat提供

直到21世紀初，我們所知的行星都位于我們的周圍——太陽系。它們大致分為兩類：位于太陽系內(nèi)部的小型巖石行星和位于太陽系外部的寒冷氣態(tài)行星。隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)，即圍繞除太陽以外的恒星運行的行星，又發(fā)現(xiàn)了其他種類的行星，一幅新的畫面開始浮現(xiàn)。我們的太陽系絕不是最典型的星系。

例如，開普勒任務(wù)的數(shù)據(jù)顯示，大型氣態(tài)系外行星不像太陽系行星那樣離恒星很遠，它們的運行軌道可以離恒星很近，這導(dǎo)致它們的溫度超過1000K（727°C）。這些系外行星被稱為“熱”或“超熱”木星。盡管大多數(shù)系外行星都比較小，大小介于海王星和地球之間，但我們對它們的組成知之甚少。

但是，熾熱的氣態(tài)行星是如何在離恒星如此近的地方形成和存在的呢？這里發(fā)生了什么樣的極端物理過程？這些問題的答案對我們理解系外行星和太陽系行星有很大的影響。在我們發(fā)表在《天體物理學雜志通訊》上的研究中，我們?yōu)樾行堑男纬珊脱莼i增添了新的線索。

Kelt-9 b

目前已知最熱的系外行星是2016年發(fā)現(xiàn)的Kelt-9 b。Kelt-9 b繞著一顆溫度是太陽兩倍的恒星運行，兩者的距離是水星與太陽距離的十倍。它是一顆巨大的氣態(tài)系外行星，半徑是木星的1.8倍，溫度達到5000K。這比宇宙中80%的恒星都要熱，溫度與太陽接近。

KELT-9 / HD 195689的位置——非常接近天鵝座中的Cygnus。 圖片來源：由CARTES DU CEIL / JAMIE CARTER提供

本質(zhì)上，熱木星是了解極端物理和化學過程的窗口。它們提供了一個絕佳的機會，可以在地球上幾乎不可能復(fù)制的環(huán)境中研究物理。研究它們可以加深我們對化學和熱過程、大氣動力學和云形成的理解。了解它們的起源也可以幫助我們改進行星的形成和演化模型。

我們?nèi)栽谂μ綄ば行鞘侨绾涡纬傻?，以及水等元素是如何進入我們的太陽系的。為了找到答案，我們需要通過觀察它們的大氣層來了解更多關(guān)于系外行星的組成。

大氣的觀測

研究系外行星大氣主要有兩種方法。在凌日法中，我們可以捕捉到當這顆系外行星從其主恒星前面經(jīng)過時穿過其大氣層的恒星光，從而揭示出那里存在的任何化學元素的痕跡。

研究行星的另一種方法是在“掩星”期間，當它從其主恒星后面經(jīng)過時。行星也發(fā)出并反射一小部分光，因此，通過比較隱藏和可見的行星總光的微小變化，我們可以提取來自行星的光。

這兩種類型的觀測都是在不同的波長或顏色下進行的，而且由于化學元素和化合物吸收和發(fā)射的波長都是非常特定的，因此可以產(chǎn)生一個光譜(按照波長分解光)來推斷行星大氣的組成。

Kelt-9 b的秘密

在我們的研究中，我們使用了由哈勃太空望遠鏡獲取的公開數(shù)據(jù)，來獲得這顆行星的掩星光譜。

然后，我們使用開源軟件提取分子的存在，發(fā)現(xiàn)有大量的金屬(由分子組成)。這一發(fā)現(xiàn)很有趣，因為之前人們認為這些分子在如此極端的溫度下不會存在——它們會分解成更小的化合物。

由于受到來自其主恒星的強大引力，Kelt-9b被“潮汐鎖定”，這意味著行星的同一面永遠面對著恒星。這就導(dǎo)致了行星白晝面和夜晚面溫差很大。由于掩星法觀測的是更熱的白晝面，我們認為觀測到的分子實際上可能被來自較冷區(qū)域（如夜晚面）或行星內(nèi)部較深區(qū)域，通過動力過程轉(zhuǎn)移而來。這些觀測結(jié)果表明，這些極端世界的大氣是由復(fù)雜的過程所控制的，而我們對此知之甚少。

畫家對繞其母星運行的Kelt-9 b的想象圖。 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

Kelt-9b很有趣，因為它的傾斜軌道約為80度，這意味著其過去可能遭遇過撞擊。事實上，這種現(xiàn)象也存在于這類行星的其它許多成員中。這顆行星很可能是在遠離母星的地方形成的，當它向恒星內(nèi)部遷移時發(fā)生了碰撞。這支持了這樣一種理論，即大行星傾向于在原行星盤中遠離其主恒星形成——其產(chǎn)生太陽系——在它們向恒星遷移時捕獲氣體和固體物質(zhì)。

但我們不知道其發(fā)生的細節(jié)。因此，描述這些天體的特征對于確認各種情況和更好地理解它們的歷史是至關(guān)重要的。

未來任務(wù)

哈勃太空望遠鏡等天文臺并不是設(shè)計來研究系外行星大氣。下一代太空望遠鏡，例如James Webb太空望遠鏡和Ariel任務(wù)，將具有專為嚴格觀測系外行星大氣而量身定制的更好的功能和儀器。它們將使我們能夠解答關(guān)于極熱木星行星類的許多基本問題，但并不僅限于此。

新一代的望遠鏡還將探測小行星的大氣層，這是目前儀器難以到達的一類。尤其是預(yù)計于2029年發(fā)射的Ariel，它將觀測大約1000顆系外行星，以解決系外行星科學中的一些最基本的問題。

Ariel還將是第一個深入研究這些星球大氣層細節(jié)的太空任務(wù)。它最終會告訴我們這些系外行星是由什么組成的以及它們是如何形成和演化的。這將是一場真正的革命。

撰文：Quentin Changeat，倫敦大學學院天文學博士后研究員；Billy Edwards，倫敦大學學院天文學研究員。

翻譯：楊小莉

審校：王藝靜

引進來源：theconversation

引進鏈接：https://theconversation.com/how-can-some-planets-be-hotter-than-stars-weve-started-to-unravel-the-mystery-156427