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兩臺NASA的太空望遠鏡合作首次識別出了一顆行星的詳細化學「指紋」,這顆行星的尺寸介於地球和海王星之間。在我們的太陽系中沒有這一類的行星,但是在其他恆星周圍它們卻很常見。

圖源:NASA、歐空局和L.赫斯塔克(空間望遠鏡研究所,STScI)

這一藝術想像圖展示了地外行星GJ 3470 b的理論內部結構。這不像太陽系內的任何行星。海王星距太陽大約有48億公里,而該行星則完全不同,它有可能是在那顆紅矮星周圍形成的,因而是個乾燥、巖質的行星。形成之後,它從環繞恆星的物質盤用引力吸引了大量氫和氦,從而擁有了一個濃密的大氣層。物質盤在幾十億年前就已經消散了,所以行星停止了生長。底下的圖示展示了很久以前物質盤的樣子。NASA的哈勃和斯皮策太空望遠鏡的觀測結果可以在化學上分析GJ 3470 b高度透明和深厚的大氣之組分,收穫了行星起源的線索。在我們的星系中存在著很多這一質量的行星。

格利澤3470 b(也被稱為GJ 3470 b)也許介於地球和海王星之間,有著一個巨大的巖質內核,之外是一層深厚而氣壓極大的氫氣和氦氣大氣層。它的質量約相當於12.6個地球,遠比地球要重,但卻沒有海王星重(超過17個地球質量)。

NASA的開普勒空間望遠鏡發現了許多相似的世界,開普勒去年退役了。實際上,銀河系中八成的行星位於這個質量範圍之內。但是,研究者稱,天文學家們在此之前未曾瞭解這類行星的化學性質。

通過羅列GJ 3470 b的大氣成分,天文學家們如今可以找到關於該行星性質和起源的線索。

「從行星形成的角度看,這是個大發現。這一行星距離它的太陽非常近,而又比木星輕得多(318倍地球質量),然而它還是能夠獲得一個原生的氫/氦大氣,尚未被更重的元素所『污染』,」加拿大蒙特利爾大學的比楊·本納奇(Bj?rn Benneke)說道,「在太陽系中沒有這類行星,所以這一發現才如此重要。」

天文學家們結合了NASA的哈勃望遠鏡和斯皮策望遠鏡的多波長觀測能力,從而頭一遭得以研究像GJ 3470 b這樣的行星大氣。

為了完成這一研究,科學家們在行星經過其恆星之前(凌日)測量星光被吸收的情況,還在行星經過其恆星之後(行星食)測量反射光消失的情況。太空望遠鏡們一共觀測了12次凌日和20次行星食。以光為基礎分析化學指紋的科學叫做光譜學。

「歷史上頭一次,我們掌握了這種行星的光譜學特徵,」本納奇說道。但是他並沒有提到「這種」是哪種:應該叫它「超級地球」還是「迷你海王星」?又或者是別的什麼?

相當偶然的是,GJ 3470 b的大氣大部分很清澈,只有薄薄的一層煙霧,從而使得科學家們可以深入研究其大氣。

「我們本來期望會看到一個富含像氧和碳這類重元素的大氣,而且那裡正在形成大量的水蒸氣和甲烷氣體,就像我們在海王星看到的那樣,」貝納奇說,「相反的是,我們發現了一個重元素極少的發起,其組分與富含氫/氦的恆星相似。」

另一類叫做「熱木星」的地外行星被認為是在離恆星很遠的地方形成的,而隨著時間慢慢遷移到了近得多的地方。但是這顆行星似乎就是在它今日所在的位置形成的,貝納奇說。

據貝納奇所言,最有道理的解釋是GJ 3470 b是在它的紅矮星(大約是太陽質量的一半)十分危險的很鄰近的區域誕生的。他假設這顆行星本來是一塊乾燥的岩石,之後在恆星還非常年輕的時候從原始氣體盤中迅速地吸附了氫氣。這種盤叫做「原行星盤」。

「我們看到這個物體可以從原行星盤中吸積氫氣,但是它又不會失控從而變成一顆熱木星,」貝納奇說道,「這是個非常有趣的世界。」

一種解釋是在這顆行星變得更大之前,原行星盤就消散了。「這顆行星只好停留在『迷你海王星』階段。」貝納奇說。

NASA即將升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將能夠更深入地探索GJ 3470 b的大氣,多虧了它在紅外線波段前所未有的靈敏度。這一新結果已經引起了開發韋伯望遠鏡設備的美國及加拿大團隊的極大興趣。他們將會以大氣煙霧更加透明的波段觀測GJ 3470 b的凌日和行星食。


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