公转周期才几天，什么是系外行星？

为什么系外行星不能直接观测？

超热系外行星：遮天蔽日的暗红色云层，闪闪发光的雨滴倾泻而下。

这是超热系外行星 WASP-76b 的艺术构想图，其热度足以让金属气化。图源：M·科恩梅塞尔（M. Kornmesser）/欧洲南方天文台。

超热系外行星有着奇异而狂野的大气层

超热木星是一种系外行星，因其物理性质和木星相似而得名，围绕着一颗和太阳不同的恒星运行，这颗恒星温度非常高，高到能把超热木星大气层里的分子都完全分解开。

它们有着银河系中最极端的环境，绕着其母恒星（parent stars）公转一圈也仅需要几天，天文学家至今不知道它们要如何才能形成。

虽然这些严酷的条件听起来已经够极端了，但天文学家开始意识到，这些条件可能仅仅是冰山一角（其实该说火山一角）。在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）最近发表的一篇研究中，我同事和我发现，在这些异乎寻常的星球中，有一颗比我们原来想的要极端得多。

超热系外行星 WASP-76b

WASP-76b 发现于2016年，可能是这些超热系外星球中最为人熟知的，体积是我们木星的两倍大，白天的温度竟高达2400摄氏度（4400华氏度），围绕其母恒星公转一圈的时间还不到两天。然而它之所以成名天下，是因为2020年的一份研究认为，这颗行星的天空，可能真的在下铁雨。

最近一些还有待同行评议的研究，则对这篇研究提出质疑。可是毋庸置疑，WASP-76b 的环境和地球完全没有一点相似，这就给我们打开了一扇窗，让我们能了解银河系中最极端的物理化学过程，而研究 WASP-76b 严酷的外星环境，也能帮我们确定太阳系的周遭环境。

微红色带条纹的行星围绕着一颗巨大的恒星运行，距离很近。

这是一颗热木星的艺术概念图，和 WASP-76b 类似，在恒星众多而古老的银河星团梅西耶67（Messier 67）中，这颗热木星围绕着其中一颗恒星运行，距离很近。图源： L·凯尔萨德（L. Calçada）/欧洲南方天文台。

大气层知识

不幸的是，哪怕是研究像 WASP-76b 这样巨大的系外行星，也常常是说起来简单做起来难。4500颗已发现的系外行星都离我们非常非常遥远，而且它们的母恒星都很亮，发出的亮光把系外行星发出的光都掩盖掉了。

我们没有直接去观测系外行星，相反，经常被迫找别的办法来推测出它们的存在。实际上，绝大部分我们发现的系外行星，都是用这种我们找出的间接方法发现的。不止如此，我们也可以用这些间接方法去观测系外行星的大气层，

这方法叫凌日光谱学（transit spectroscopy），具体如下。系外行星在其母恒星前经过或凌日时，恒星发出的光会透过系外行星的大气层。不同的大气层气体，会在恒星的光上留下独特的化学印记，就像指纹一样，再去研究这些指纹，我们就能了解到存在的是哪种气体。这就能帮助我们弄清楚，系外行星上的环境到底是什么样子。

理论上来说，任何有大气层的系外行星都适用此方法，但是用在那些大气层又热又胀的系外行星上，效果最好。巨大而膨胀的大气层，会在恒星的光上留下更强烈的化学印记，我们也就更容易观测到印记。

这正是为何我们团队要选 WASP-76b 观测，我们的新 ExoGemS（双子座光谱学系外行星）勘测计划，观测的首颗系外行星就是它。此勘测计划由康奈尔大学的杰克·特纳（Jake Turner）、雷·贾亚瓦尔德哈纳（Ray Jayawardhana）和安德鲁·里登哈珀（Andrew Ridden-Harper）领导，其目标是用夏威夷的北双子座望远镜（the Gemini North telescope），观测40多个系外行星的大气层。

日落时分，在荒芜的山顶上，研究人员站立在巨大的天文台穹顶旁。

ExoGemS 勘测计划，打算用夏威夷的北双子座望远镜，观测40多颗系外行星。图源：梅尔塞斯（Mailseth）/维基共享。

极端的大气层

在此项特别研究中，WASP-76b 运行到其母恒星前有4小时，我们在这段时间对其进行了观测。我们搜寻其大气层中的金属留下的印记，因为在这种极度高温下，金属就会气化成气体。

我们过去多次观测了 WASP-76b，但是相比于之前发表的结果，我们用北双子座望远镜看到了光波长中更红的那部分波长。这意味着我们可以搜寻到更多化学指纹，更清楚地了解这颗极端星球的奇异构成，这是先前的研究所不能的。

我们立刻发现数据中红外波长的光，有三次连贯的强烈吸收特征。我们认出这是离子钙的化学指纹，钙原子失去一个电子形成离子钙，而且这信号太强烈了，强到能让我们在这颗系外行星绕着其母恒星运行时，也能确实观察到信号在移动。

大量离子钙

在 WASP-76b 上发现钙并不值得大惊小怪；今年早些时候，就探测到了一组不同的钙信号。真正让我们吃惊的是，离子钙的数量实在太多了，比我们任何理论模型预测的都要多好多。

所以这是怎么回事啊？有一种可能是，WASP-76b 大气层的温度甚至比2400摄氏度（4400华氏度）还要高，这是我们先前估计的温度。在这种极端高温下，普通钙原子的电子会剥落下来，温度越高，这一反应发生的频率越快。

另一种可能是，有种强有力的风，把系外行星深处的离子钙吹了出来。一份最近发表的研究显示，WASP-76b 上的风速实际高达22千米每秒（几乎等于50000英里每小时）。这是什么概念啊，地球上最快的风，测出也不到1千米每秒。

无巧不成书，另一组天文学家用西班牙的卡拉阿托天文台（the Calar Alto Observatory），也在红外光中探测到了同样的离子钙信号，跟我们的数据类似，他们数据中的离子钙也比预期的多。显而易见，WASP-76b 大气层中发生的事情，比我们想的要多得多。

奇异而狂野的大气层

从夏威夷的北双子座望远镜，到智力的甚大望远镜（Very Large Telescope），一直到外太空的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope），几乎所有主要的天文望远镜都观测过 WASP-76b。其大气层正发生什么就是张神秘的拼图，而要把这张拼图拼起来，我们需要等待詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的观测结果，此望远镜非常厉害，崭新出厂，定于2021年12月发射。

同时，我们的 ExoGemS 勘测计划，也会让我们在地球上继续调查几十颗系外行星的大气层，其中有很多大气层从没被描述过。毫无疑问，我们会揭示出很多很多秘密，而 WASP-76b 那奇异而狂野的大气层，只是这一切的开始。

埃米莉·戴蓓特，在多伦多大学天文学和天体物理学系攻读博士学位。

本文根据知识共享许可协议从《对话》（The Conversation）转载。

一句话：超热系外行星 WASP-76b 有着奇异而狂野的大气层，是银河系环境最极端的星球之一。

BY: Emily Deibert

FY: redbeard305050

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