天文学家通过棕矮星大气层结构探索“超级木星”世界

2021年08月08日 09:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

据外媒报道,木星可能是我们太阳系的恶霸行星,因为它是质量最大的行星,但跟其他恒星周围的许多巨大行星相比它实际上微不足道。据悉,这些被称为“超级木星”的外星世界的质量是木星的13倍。

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天文学家已经分析了其中一些的组成,但他们很难详细研究它们的大气层,因为这些气体巨星会在其母星的耀眼光芒中迷失。

然而研究人员有一个替代品:褐矮星的大气层,这是所谓的失败恒星,其质量高达木星的80倍。这些巨大的天体像恒星一样,由一团坍塌的气体云形成,但它们缺乏足够的质量来维持其核心的核聚变,而核聚变是恒星的动力。

相反,褐矮星跟超级木星有亲缘关系。这两种类型的物体都有相似的温度和巨大的质量。它们也有复杂多变的大气。天文学家认为,唯一的区别在于它们的血统。超级木星围绕恒星形成;褐矮星通常是孤立形成的。

由马里兰州巴尔的摩市空间望远镜科学研究所的Elena Manjavacas领导的一组天文学家已经测试了一种可以以穿透这些移动天体云层的方法。研究人员使用了位于夏威夷莫纳基亚的W. M. Keck天文台的仪器,他们在近红外光下研究了附近自由漂浮的棕矮星2MASS J22081363+2921215的千层结构的颜色和亮度变化。

凯克天文台的仪器--被称为多目标光谱仪红外探测(MOSFIRE)还分析了云中包含的各种化学元素的光谱指纹及它们如何随时间变化。这是天文学家首次在这类研究中使用MOSFIRE。

这些测量结果为Manjavacas提供了褐矮星大气云的整体视图,并提供了比以前对该天体的观测更多的细节。这项由哈勃望远镜开创的技术对于地面望远镜来说很难实现,因为地球大气会吸收特定的红外波长造从而成污染。这个吸收率随天气的变化而变化。

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“从地面上做这件事的唯一方法是使用凯克的高分辨率MOSFIRE仪器,因为它让我们可以同时观察到多颗恒星和我们的褐矮星,”Manjavacas说道,这使我们能够纠正地球大气带来的污染并很精确地测量来自褐矮星的真实信号。所以这些观测结果证明了MOSFIRE可以对褐矮星大气进行这类研究。”Manjavacas是凯克天文台的前工作天文学家也是这项研究的论文主要作者。

她决定研究这颗特殊的褐矮星是因为它非常年轻,这使得它非常明亮。并且它还没有冷却下来。它的质量和温度跟附近巨大的系外行星Beta Pictoris b相似,Beta Pictoris b是2008年由位于智利北部的欧洲南方天文台的超大望远镜拍摄的近红外图像发现的。

Manjavacas表示:“以目前的技术,我们还没有能力去详细分析Beta Pictoris b的大气层。所以,我们正在利用我们对这颗褐矮星大气层的研究作为一个代理以了解这颗系外行星的云层在其大气层的不同高度下可能是什么样子的。”

由于褐矮星和β Pictoris b都很年轻,所以它们在近红外波段都在强烈地辐射热量。它们都是一群恒星和次恒星物体--被称为Beta --Pictoris运动群的成员,它们拥有相同的起源和在空间中的共同运动。这群恒星约有3300万年的历史,是离地球最近的年轻恒星群。

虽然它们比真正的恒星要冷,但褐矮星仍非常热。Manjavacas研究中的这颗褐矮星温度高达2780华氏度(1527摄氏度)。

这个巨大的天体约是木星的12倍重。作为一个年轻的天体,它的自转速度非常快,每3.5小时完成一次自转,而木星的自转周期是10小时。因此,云层在行星周围旋转并创造了一个动态的、动荡的大气层。

凯克天文台的MOSFIRE仪器盯着这颗褐矮星看了2.5个小时,并观察了从这颗矮星炽热的内部穿过大气层的光线是如何随着时间的推移时而变亮时而变暗的。旋转天体上出现的亮点表明,研究人员可以看到大气层更深、更热的区域。红外线波长使天文学家能更深入地观察大气层。观测结果表明,这颗褐矮星的大气层斑驳、云团分散。如果近距离观察,这颗行星可能像一个雕刻的万圣节南瓜,光线从炽热的内部逃逸。它的光谱揭示了热沙粒和其他奇异元素的云团。碘化钾跟踪该天体的上层大气,其中也包括镁硅酸盐云。在大气中向下移动的是一层碘化钠和硅酸镁云。最后一层是氧化铝云。大气层的总深度为446英里(718公里)。

Manjavacas指出,探测到的元素代表了褐矮星大气的典型组成部分。她和她的团队使用了褐矮星大气的计算机模型来确定化学化合物在每个云层中的位置。

据悉,这项研究的论文将发表在《The Astronmomical Journal》上。

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