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天文學家畫出系外行星的全球溫度與水汽分佈圖

Credit: NASA, ESA, and K. Stevenson, L. Kreidberg, and J. Bean (University of Chicago)

系外行星WASP-43b 的溫度分佈。 Credit: NASA, ESA, and K. Stevenson, L. Kreidberg, and J. Bean (University of Chicago)

美國芝加哥大學(University of Chicago)Jacob Bean等人利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)觀測系外行星WASP-43b,製作出迄今最詳細的系外行星全球地圖,呈現這顆行星的大氣在不同分層中的溫度分佈,以及大氣中水汽的含量與分佈概況。這份研究訊息是首度提供系外行星表面的2維熱結構,可由此縮減熱系外行星的大氣環流和動力學模型所需的條件,讓天文學們得以進一步瞭解像木星這樣的氣體巨行星的大氣動力學和形成過程,也因而開啟了「比較行星學(comparative planetology)」這門新的研究領域。

WASP-43b是個極端世界,翻滾的風從溫度高達攝氏1650度、足以融化鋼鐵的白晝一側,以音速奔騰向冷到僅有攝氏540度的夜晚一側。這顆行星是顆主要由氫氣組成的熱氣體球,所以表面沒有什麼如海洋或陸地等的明顯特徵可供追蹤測量以確定其自轉速率,只能利用晝夜間的強烈溫差來標示出一天的變換。此外,由於溫度如此之高,行星上的水都被蒸發為水汽,沒辦法像木星那樣凝固成冰晶雲。

WASP-43b距離地球約260光年,於2011年發現。由於非常遙遠,因此無法直接拍到它的影像,但它的公轉軌道正好側向地球,所以天文學家可以觀測到它週期性地從母恆星前方通過而使母恆星亮度稍微下降的現象。

這顆行星的母恆星是顆橘色矮星,行星本身體積約與木星差不多大,但質量卻是木星的2倍左右,繞母恆星公轉一週僅需19小時而已;此外,這顆行星被其母恆星潮汐鎖定,始終以同一面面對母恆星,就像是月球始終以同一面面對地球一樣。

這些科學家將2種不同的分析方式結果予以綜合,以便研究這顆行星的大氣層。其中,光譜分析能讓科學們確定行星大氣中含有水,且能進一步估算水分子的含量,以及大氣層的溫度分佈結構。而觀測這顆行星的其自轉狀況,可測量不同經度的水汽含量及溫度。

由於太陽系行星都沒有這顆行星般的狀況,若能描繪出這個怪異世界的大氣特徵,或許可提供一個獨特的環境,作為進一步瞭解行星形成和行星物理性質的太空實驗室。

水在巨行星的形成過程中非常重要,因為一般認為彗狀天體會撞擊年輕的行星們,將我們所觀測到的水和其他分子帶到這些行星上去。然而,科學家們一直不能確定太陽系巨行星大氣中的水含量,這是因為這些水分子都被鎖在冰雲中,最後因降雨而沉落,而從地球上只能觀測到這些巨行星的大氣上層,所得結果當然不準。可是這些太陽系外的「熱木星」們就不一樣了,因為很靠近它們的母恆星而使表面溫度很高,水都蒸散在大氣中,科學家們不僅在WASP-43b大氣中偵測到水的存在,還精確地測量探究分析大氣中的水汽含量以及隨經度分佈的狀況。

為了瞭解巨行星如何形成,天文學家希望能知道不同元素的含量如何充盈大氣。這些科學家發現WASP-43b含有的水量,約與預期中組成成分與太陽相同的天體應會含有的水量差不多。從這點就透露了行星形成所需要的某些基本要件。

這是天文學家首度觀測一顆系外行星3次以上完整的自轉週期,不過這3次自轉週期也不過耗時4個地球日而已。這個研究團隊下一步要進行的是測量不同行星的水分子豐度,希望由此能探索其他化學組成的豐度。哈柏的接班人—韋柏太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)的能力,不僅可測量水豐度,其他諸如一氧化碳、二氧化碳、氨、甲烷等分的豐度均可偵測到,不過最後能否偵測到,得視這些行星的大氣溫度來決定。

資料來源:Hubble Maps the Temperature and Water Vapor on an Extreme Exoplanet. HubbleSite [October 9, 2014]

本文轉載自網路天文館

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