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系外行星大气中的铁 能告诉你这些秘密

更新时间:2018-09-07 信息来源:

瑞士伯尔尼大学的延斯·霍伊梅克斯和凯文·亨教授带领的研究团组近日在《自然》杂志上发表论文,报告在KELT-9b的大气中发现了中性铁原子,以及一次电离的铁和钛离子。这是首次在系外行星的大气中直接探测到重金属的原子和离子,是系外行星领域的重要研究进展。

  研究行星形成的重要元素

  与大多数已知的带有系外行星的恒星不同,KELT-9b的主星是一颗快速自转的高温恒星,质量约为太阳的2.5倍,其表面温度高达10170开尔文,光谱型介于B型和A型之间,距离地球约620光年。由于KELT-9b到主星的距离只有不到水星与太阳距离的十分之一,所以轨道周期也非常短,公转一圈还不到36个小时,并且被潮汐力锁定,只能以固定的一面朝向主星。由于主星温度高并且行星距离近,在这两个因素的共同作用下,KELT-9b朝向主星的那一面温度达到了惊人的4600开尔文,甚至超过了大多数恒星的表面温度,荣登最热的系外行星榜首。

  一般认为,行星诞生于恒星形成初期的原行星盘,而原行星盘和它们的主星是在同一片气体星云中诞生的,因此应当具有相似的化学组成。天文学家虽然不能像研究月球和火星那样通过着陆和采样研究系外行星的成分,但是可以追踪主星的光在行星大气中穿过时留下的“指纹”,得知行星大气中存在哪些化学元素。也正因为如此,在所有已发现的系外行星中,具有凌星现象的行星是备受青睐的“宠儿”。

  先前天文学家已经在一些凌星行星的大气中找到了一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、甲烷、一氧化钛等简单的分子,以及钠、钾、钙等较轻的金属元素,但是对于更重的金属原子则一无所获。在重金属元素中,最引人注目的是铁。这不仅因为它是星光中谱线最丰富的元素,而且因为它是原子序数大于14的元素中含量最高的,并且还是恒星以核聚变的方式制造新元素的“终点”,因此通常把铁相对于氢元素的含量作为恒星金属元素丰度的代表。如果能在行星的大气中探测到铁,对研究行星的化学组成、行星的形成过程、恒星与行星的相互作用都会产生有力的推动,具有里程碑式的意义。

  一个难得的珍贵样本

  尽管铁元素在行星中几乎是一定存在的,但却极难探测。在太阳系的行星中,绝大多数铁元素以固体的形式封存在行星的核心,而先前已发现的大多数热木星的表面温度也不足以令铁蒸发为气态,所以几乎不存在可从远方观测到的光谱信号。此外,恒星中也存在铁元素,恒星与行星大气的谱线混杂在一起,难以区分铁元素究竟是来自行星大气还是主星。要找到行星大气中的铁元素,必须选择那些温度极高的行星,同时主星最好是B型或者A型星,它们的温度足够高,自转也非常快,几乎看不到恒星铁元素的谱线,如同一个“纯净”的背景光源。2017年以前,虽然已经发现了几千颗系外行星,但还没有一颗能够同时满足以上条件。

  KELT-9b的发现给研究带来了转机。在4600开尔文高温的行星大气中,铁、钛等较重的金属元素几乎不可能形成固体或液体,只能以气态的形式存在,甚至大部分都被电离成了一价铁离子(Fe+)和一价钛离子(Ti+)。行星大气中遮挡光谱信号的云层和灰霾也消失得无影无踪,几乎一定是“清澈透明”的。同时,它的主星还是一颗高温的、快速自转的A型星,因此是一个难得的珍贵样本。当KELT-9b被发现后,伯尔尼大学的凯文·亨教授就带领他的团队对KELT-9b开展了深入的研究。结果表明,Fe、Fe+、以及Ti+的信号都被清晰地探测到了,而未探测到中性钛原子的信号也可以得到很好的解释,即在KELT-9b的高温下,绝大多数的钛原子都被电离成了一价钛离子。

  KELT-9b可以归为一个全新的行星类别,即“超高温热木星”,与以往发现的行星都不同。此外,伯尔尼大学团队的理论模型还预测,像一氧化碳(CO)这样的分子在相当宽的温度范围内都可以在行星大气中占据主导地位。如果将来能够在KELT-9b的大气中观测到近红外波段CO分子和水分子的光谱信号,就能直接对行星大气的碳氧(C/O)比率,甚至行星的金属丰度作出重要的限制。因为先前的一些研究表明,有可能存在一类由碳元素主导的行星,这与我们通常认为的由氧元素主导的行星完全不同。凯文·亨教授表示,在研究行星时,人们不应当只关注于类似太阳系的行星系统,因为宇宙中还存在很多非常奇特的行星,KELT-9b就是其中一例。

(来源:科技日报)