天文学家首次在系外行星大气中检测到羟基分子特征

2021年04月29日 14:25 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由天体生物学中心和贝尔法斯特女王大学、都柏林圣三一大学等机构的研究人员组成的一个国际天文学家团队称,在一颗系外行星的大气中检测到了一种新的化学特征。羟基分子是在系外行星WASP-33b的阳面发现的。这颗行星是一颗所谓的 "超热木星",是一颗围绕其主星运行的气态巨行星,比水星围绕太阳运行的距离要近得多,因此其大气温度超过2500°C(热到足以融化大多数金属)。

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首席研究员Stevanus Nugroho博士说:“这是太阳系以外的行星大气中的羟基分子的第一个直接证据。它不仅表明天文学家可以在系外行星大气中检测到这种分子,而且还表明他们可以开始了解这种行星群的详细化学成分。”

在地球的大气层中,羟基主要由水蒸气与原子氧的反应产生。它是一种所谓的“大气洗涤剂”,在地球的大气层中发挥着至关重要的作用,可以净化对生命有危害的污染气体(如甲烷、一氧化碳)。

在像WASP-33b这样更热更大的行星中,天文学家之前已经探测到了铁和钛氧化物气体的迹象。羟基通过与水蒸气和一氧化碳的相互作用,在决定大气的化学成分方面发挥着关键作用。WASP-33b大气层中的大部分羟基被认为是由极高的温度导致的水蒸气的破坏而产生的。

这项研究的共同作者、贝尔法斯特女王大学的Ernst de Mooij博士解释说:"在我们的数据中,我们只看到一个来自水蒸气的试探性的微弱信号,这将支持水在这种极端环境中被破坏以形成羟基的观点。

为了做出这一发现,研究小组使用了位于夏威夷莫纳克亚山顶地区(海拔约4200米)的直径8.2米的斯巴鲁望远镜的红外多普勒(IRD)仪器。这个新仪器可以通过原子和分子的 "光谱指纹 "来探测它们,这是一套独特的暗吸收特征,叠加在由恒星和行星发出的彩虹色(或光谱)上。

当行星绕着它的主星运行时,它相对于地球的速度会随着时间而变化。就像救护车的警报声或赛车引擎的轰鸣声在从我们身边飞驰而过时改变音调一样,这些光谱指纹的光的频率(例如颜色)也随着行星的速度而改变。这使我们能够将行星的信号从其明亮的主星中分离出来,尽管现代望远镜远没有强大到足以直接拍摄这种“热木星”系外行星的图像。

都柏林圣三一大学的副教授、这项工作的共同作者Neale Gibson博士说:“太阳系外行星的科学相对较新,现代天文学的一个关键目标是详细探索这些行星的大气层,最终寻找‘类地’系外行星--像我们自己的行星。每发现一个新的大气物种,都会进一步提高我们对系外行星的理解,以及研究其大气所需的技术,并使我们更接近这一目标。”

通过利用IRD的独特能力,天文学家能够探测到行星大气中羟基的微小信号。“IRD是在红外线下研究系外行星大气的最佳仪器,”IRD的主要研究者之一、天体生物学中心主任、这项工作的共同作者Motohide Tamura教授补充说。

“这些用于表征系外行星大气层的技术仍然只适用于非常热的行星,但我们希望进一步开发仪器和技术,使我们能够将这些方法应用于较冷的行星,并最终应用于第二个地球,”东京大学的副教授、这项工作的共同作者Hajime Kawahara博士说。

来自贝尔法斯特女王大学的Chris Watson教授是这项研究的共同作者,他继续说道。“虽然WASP-33b可能是一颗巨行星,但这些观测是下一代设施,如三十米望远镜和欧洲极大望远镜在寻找较小的和潜在的岩石世界的生物特征方面的测试平台,这可能为人类最古老的问题之一提供提示:‘我们是孤独的吗?’”

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