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天文学家利用恒星发出的光来研究系外行星WASP-121 b的大气层 ， 确定了其大气层中含有铁、铬、钙、钠、镁和镍的光谱特征 。 天文学家接下来的工作将不再是测量其数据 ， 而是研究这些数据究竟有什么意义 。
通过研究恒星散发出的光 ， 天文学家们看到了850光年外的一颗系外行星 。 它不只是一颗普通的系外行星 ， 而且还是我们所发现的最炙热的一颗——现如今 ， 我们已识别出至少七种金属以气态形式漂浮环绕在大气层中 。
这颗系外行星名叫WASP-121b ， 是一种被我们称作“热木星”的行星 ， 因为它是一颗气态巨行星 ， 它距离主恒星很近 ， 这使它的温度能够与恒星本身相匹敌 。 当然了 ， 就算主恒星是冷星 ， 它也是一颗恒星 。
在系外行星当中 ， WASP-121b相当有名气 。 它在2015年首次被发现——一颗质量为木星质量1.18倍的、体积为木星体积1.81倍的系外行星 ， 公转周期只有1.27天 。 两年后 ， 它成为了第一颗在平流层中有水被发现的系外行星——即使这颗行星得到了极多的热量 ， 非常不适宜繁衍生息 。
现在 ， 天文学家们“拉近镜头”观察它的大气层 ， 所发现的令他们感到诧异 。
在2500-3000℃（约4500-5500℉）间的温度 ， 仍不是我们所见那些系外行星中最热的温度 。 但它太炙热了 ， 使其大气层比天文学家们先前研究和观测的行星大气层要简单许多——复杂的分子不会在这样高的温度下形成 。
早期的研究表明 ， 分子中含有罕见的钒元素但没有钛元素 ， 这可以很好地解释前期对WASP-121b大气层进行观测得到的光谱 。
“先前的研究试图用看似不太合理的理论解释这些复杂的观测结果 ， ”在瑞士伯尔尼大学和日内瓦大学的天文学家Jens Hoeijmakers说道 ， “但最终事实证明这些理论是正确的 。 出乎我意料的是 ， 我们确实在观测中发现了钒元素 。 ”
对系外行星的大气层一探究竟并非易事 。 首先 ， 你需要抓住系外行星在我们和主恒星之间经过的时机 ， 要迈出探寻系外行星第一步 ， 这是一种很好的方法——你在星空中所见的一个极其暗淡又寻常的一个小亮点 ， 实际上向你传达着信息：有一个庞然大物正绕着恒星运动 。
为了研究它的大气层 ， 你甚至需要更微弱的信号 。
当系外行星经过恒星面前时 ， 会有一部分恒星发出的光穿过大气层 。 凭借大气层中的某些元素 ， 一些特定波长的光就会被吸收并增强 。 如果你能捕获到全波长的光谱 ， 这些元素就会显现在吸收光谱和发射光谱中 。
如你所想 ， 这个信号并非十分强烈 ， 而且伴有许多干扰 。 因此 ， 在开始时你需要一个良好的“降噪”装置 ， 避免你需要的数据被损坏 。
我们可以通过重合各种跃迁光谱来放大此信号 ， 并使它们更清晰——所以短周期系外行星给我们提供了更多捕获跃迁光谱的机会 ， 同时也更容易分析 。 举个例子 ， 像木星那样公转周期为12年的系外行星不能成为一个理想的“候选人” ， 但是WASP-121b的公转轨道对研究很有帮助 。
为了获取WASP-121b的一个强光谱 ， Hoeijmakers和他的团队使用了三个跃迁光谱并对数据进行再处理 ， 这三个光谱是先前由欧洲南方天文台3.6m口径的La Silla望远镜中HARPS摄谱仪所观测到的 。 他们发现了系外行星大气层中一个有趣的金属混合物 ， 当然了 ， 这其中含有我们刚刚提到的钒元素 。 紧接着 ， 该团队发现了铁、铬、钙、钠、镁和镍的特殊光谱信号 。 特别要注意的是 ， 其中并没有早期研究发现的钛元素 。
“因为WASP-121b上的温度过高 ， 所有的金属都会蒸发成气态 ， 因此我们可以断定行星的大气中有由气态金属构成的部分 。 ”Hoeijmakers解释道 。
炙热的木星也是一个谜一样的星球 ， 像这样对行星大气层进行的分析可以帮助我们更好地理解它们 。 我们并不知道它们为什么如此靠近恒星 ， 它们又是如何离得这么近的 ， 我们也不得而知 。 只有通过研究它们的大气层 ， 我们才能知道它们是否就在那里形成 ， 抑或它们有可能是从遥远而偏僻的轨道向内部靠近的“移民” 。 但这些研究也帮助我们扩大了探测系外行星、寻找外星生命的工具箱 。 我们现如今所用的识别铁元素和钠元素的技术 ， 再加上更敏感有效的设备 ， 终有一天能帮助我们找到被有机生物体所制造和利用的分子——比如氧气和甲烷 。
“通过多年对地球外面的世界的探索 ， 我们现在已经不只局限于测量工作了 。 ”Hoeijmakers说 ， “我们开始理解仪器和设备展示给我们的数据说明了什么 ， 了解行星之间的相似之处和差异所在 。 同理 ， 在无数动物物种的特征被人所描绘时 ， 查理斯·达尔文或许要开始研究新的进化论了 。 我们正开始了解更多：系外行星是如何形成的 ， 它们有怎样的运行规律……”
研究报告已刊登于《天文学与天体物理学》杂志
by：MICHELLE STARR
fy：北斗星zj
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