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两台NASA的太空望远镜合作首次识别出了一颗行星的详细化学「指纹」,这颗行星的尺寸介于地球和海王星之间。在我们的太阳系中没有这一类的行星,但是在其他恒星周围它们却很常见。

图源:NASA、欧空局和L.赫斯塔克(空间望远镜研究所,STScI)

这一艺术想像图展示了地外行星GJ 3470 b的理论内部结构。这不像太阳系内的任何行星。海王星距太阳大约有48亿公里,而该行星则完全不同,它有可能是在那颗红矮星周围形成的,因而是个干燥、岩质的行星。形成之后,它从环绕恒星的物质盘用引力吸引了大量氢和氦,从而拥有了一个浓密的大气层。物质盘在几十亿年前就已经消散了,所以行星停止了生长。底下的图示展示了很久以前物质盘的样子。NASA的哈勃和斯皮策太空望远镜的观测结果可以在化学上分析GJ 3470 b高度透明和深厚的大气之组分,收获了行星起源的线索。在我们的星系中存在著很多这一质量的行星。

格利泽3470 b(也被称为GJ 3470 b)也许介于地球和海王星之间,有著一个巨大的岩质内核,之外是一层深厚而气压极大的氢气和氦气大气层。它的质量约相当于12.6个地球,远比地球要重,但却没有海王星重(超过17个地球质量)。

NASA的开普勒空间望远镜发现了许多相似的世界,开普勒去年退役了。实际上,银河系中八成的行星位于这个质量范围之内。但是,研究者称,天文学家们在此之前未曾了解这类行星的化学性质。

通过罗列GJ 3470 b的大气成分,天文学家们如今可以找到关于该行星性质和起源的线索。

「从行星形成的角度看,这是个大发现。这一行星距离它的太阳非常近,而又比木星轻得多(318倍地球质量),然而它还是能够获得一个原生的氢/氦大气,尚未被更重的元素所『污染』,」加拿大蒙特利尔大学的比杨·本纳奇(Bj?rn Benneke)说道,「在太阳系中没有这类行星,所以这一发现才如此重要。」

天文学家们结合了NASA的哈勃望远镜和斯皮策望远镜的多波长观测能力,从而头一遭得以研究像GJ 3470 b这样的行星大气。

为了完成这一研究,科学家们在行星经过其恒星之前(凌日)测量星光被吸收的情况,还在行星经过其恒星之后(行星食)测量反射光消失的情况。太空望远镜们一共观测了12次凌日和20次行星食。以光为基础分析化学指纹的科学叫做光谱学。

「历史上头一次,我们掌握了这种行星的光谱学特征,」本纳奇说道。但是他并没有提到「这种」是哪种:应该叫它「超级地球」还是「迷你海王星」?又或者是别的什么?

相当偶然的是,GJ 3470 b的大气大部分很清澈,只有薄薄的一层烟雾,从而使得科学家们可以深入研究其大气。

「我们本来期望会看到一个富含像氧和碳这类重元素的大气,而且那里正在形成大量的水蒸气和甲烷气体,就像我们在海王星看到的那样,」贝纳奇说,「相反的是,我们发现了一个重元素极少的发起,其组分与富含氢/氦的恒星相似。」

另一类叫做「热木星」的地外行星被认为是在离恒星很远的地方形成的,而随著时间慢慢迁移到了近得多的地方。但是这颗行星似乎就是在它今日所在的位置形成的,贝纳奇说。

据贝纳奇所言,最有道理的解释是GJ 3470 b是在它的红矮星(大约是太阳质量的一半)十分危险的很邻近的区域诞生的。他假设这颗行星本来是一块干燥的岩石,之后在恒星还非常年轻的时候从原始气体盘中迅速地吸附了氢气。这种盘叫做「原行星盘」。

「我们看到这个物体可以从原行星盘中吸积氢气,但是它又不会失控从而变成一颗热木星,」贝纳奇说道,「这是个非常有趣的世界。」

一种解释是在这颗行星变得更大之前,原行星盘就消散了。「这颗行星只好停留在『迷你海王星』阶段。」贝纳奇说。

NASA即将升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够更深入地探索GJ 3470 b的大气,多亏了它在红外线波段前所未有的灵敏度。这一新结果已经引起了开发韦伯望远镜设备的美国及加拿大团队的极大兴趣。他们将会以大气烟雾更加透明的波段观测GJ 3470 b的凌日和行星食。


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