天文学家仔细观察灼热的系外行星WASP-76 b

　　这里描绘的超高温巨型系外行星WASP-76 b是一个非常热的世界，它的轨道非常靠近它的巨星。鸣谢:国际双子座天文台/noir lab/NSF/AURA/j . da Silva/space engine/m . Zamani

　　据蒙特利尔大学：蒙特利尔大学Trottier系外行星研究所的博士生Stefan Pelletier领导的一个国际团队对极热的巨型系外行星WASP-76 b进行了详细的研究。

　　使用Gemini-North望远镜上的MAROON-X仪器，该团队能够识别和测量该行星大气中11种化学元素的丰度。

　　这些包括岩石形成元素，其丰度甚至在太阳系的大行星如木星或土星中也是未知的。该小组的研究发表在《自然》杂志上。

　　Pelletier说:“数百光年外的系外行星能够教给我们一些关于我们自己的太阳系的事情，这种情况非常罕见。”。“这项研究就是这样。”

　　一个又大又热又奇怪的世界

　　WASP-76 b是一个奇怪的世界。它达到极端温度是因为它非常靠近它的母星，一颗距离我们634光年的双鱼座大质量恒星:大约是水星到太阳距离的12倍。它的质量与木星相似，但体积几乎是木星的六倍，相当“膨胀”。

　　自2013年广角行星搜索(WASP)计划发现它以来，许多团队已经对它进行了研究，并确定了其大气中的各种元素。值得注意的是，在2020年3月发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个团队发现了一个铁信号，并假设地球上可能有铁雨。

　　了解到这些研究后，Pelletier开始利用位于夏威夷的Gemini-North 8米望远镜上的MAROON-X高分辨率光学摄谱仪对WASP-76 b进行新的独立观测，该望远镜是国家科学基金会NOIRLab运营的国际Gemini天文台的一部分。

　　“我们认识到，强大的新MAROON-X摄谱仪将使我们能够研究WASP-76 b的化学成分，其详细程度是任何巨型行星都没有的，”UdeM天文学教授bjrn benne ke说，他是该研究的合着者，也是Stefan Pelletier的博士研究导师。

　　类似于太阳的成分

　　在太阳内部，元素周期表中几乎所有元素的丰度都被非常精确地知道。然而，在我们太阳系的巨行星中，只有少数元素是这样，它们的成分仍然很少受到限制。这阻碍了对这些行星形成机制的理解。

　　由于距离恒星如此之近，WASP-76 b的温度远远超过2000摄氏度。在这种温度下，许多通常会在地球上形成岩石的元素(如镁和铁)被蒸发，并以气态形式存在于高层大气中。研究这颗奇特的行星可以前所未有地洞察巨行星中岩石形成元素的存在和丰富程度，因为在木星这样的较冷的巨行星中，这些元素在大气中的含量较低，不可能被检测到。

　　Pelletier和他的团队在这颗系外行星的大气中测量到的许多元素的丰度——如锰、铬、镁、钒、钡和钙——与其主星以及我们的太阳非常接近。

　　这些丰度不是随机的:它们是大爆炸的直接产物，随后是数十亿年的恒星核合成，因此科学家在所有恒星中测量到大致相同的成分。然而，它不同于像地球这样的岩石行星的构成，后者以更复杂的方式形成。

　　这项新研究的结果表明，巨行星可以保持反映其形成的原行星盘的整体组成。

　　Stefan Pelletier和他的同事使用双子北望远镜评估超高温系外行星WASP-76 b的大气成分。鸣谢:国际双子天文台/noir lab/NSF/AURA/P . horálek(Opava物理研究所)。

　　其他元素的损耗非常有趣

　　然而，与恒星相比，行星中的其他元素都被耗尽了——这一结果令Pelletier特别感兴趣。

　　“WASP-76 b大气中似乎缺少的这些元素恰恰是那些需要更高温度才能蒸发的元素，如钛和铝，”他说。"与此同时，与我们预测相符的元素，如锰、钒或钙，都在稍低的温度下蒸发."

　　发现小组的解释是，观测到的巨行星高层大气的成分对温度可能极其敏感。根据一种元素的冷凝温度，它会以气体形式出现在大气的上部，或者冷凝成液体形式沉入更深的层中。当处于气体形式时，它在吸收光方面起着重要作用，可以在天文学家的观测中看到。当它凝聚时，天文学家无法探测到，并从他们的观测中完全消失。

　　“如果得到证实，这一发现将意味着两颗温度略有不同的巨大系外行星可能有非常不同的大气，”Pelletier说。“有点像两壶水，一壶在-1摄氏度时是冰冻的，另一壶在+1摄氏度时是液体。例如，在WASP-76 b上观察到钙，但在稍冷的星球上可能没有。”

　　首次发现氧化钒

　　Pelletier的团队的另一个有趣的发现是检测到一种叫做氧化钒的分子。这是第一次在系外行星上明确探测到它，天文学家对此非常感兴趣，因为他们知道它会对炽热的巨行星产生很大影响。

　　“这种分子在地球大气中扮演着与臭氧相似的角色:它在加热高层大气方面极其有效，”Pelletier解释道。“这导致温度随着海拔的升高而升高，而不是像在较冷的行星上通常看到的那样降低。”

　　一种元素，镍，在这颗系外行星的大气中明显比天文学家预期的更加丰富。许多假说可以解释这一点；一个是WASP-76 b可能有来自类似水星的行星的吸积物质。在我们的太阳系中，这颗小岩石行星富含镍等金属，因为它是如何形成的。

　　Pelletier的团队还发现，先前研究中报道的WASP-76 b东半球和西半球之间铁吸收的不对称性也类似地存在于许多其他元素中。这意味着导致这一现象的潜在现象可能是一个全球性的过程，如温度的差异或云出现在地球的一侧而不是另一侧，而不是像以前建议的那样冷凝成液体形式的结果。

　　确认和利用经验教训

　　佩尔蒂埃和他的团队非常渴望了解更多关于这颗系外行星和其他超高温巨行星的信息，部分是为了证实他们的假设，即温度略有不同的行星上可能存在差异巨大的大气。

　　他们还希望其他研究人员将利用他们从这颗巨大的系外行星中学到的东西，并将其应用于更好地了解我们自己的太阳系行星以及它们是如何形成的。

　　“几代研究人员已经使用木星、土星、天王星和海王星测量的氢和氦的丰度来基准气态行星的形成理论，”Benneke说。“同样，WASP-76 b上钙或镁等较重元素的测量将有助于进一步了解气态行星的形成。

　　2023年6月14日，在《自然》杂志上发表了“氧化钒和一颗巨大的系外行星上冷捕集的突然发生”。