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哈柏觀測呈現GJ 1214b是個怪異物質組成的水世界

我們的太陽系行星基本上可分成三大類:第一類是岩質的類地行星,包括水、金、地、火等4顆;第二類是氣體巨行星(gas giant),包括木星和土星;第三類則是冰質巨行星(ice giant),包括天王星和海王星。太陽系以外的行星種類更多,已知有熔岩行星和所謂的「熱木星(hot Jupiter)」。哈佛史密松恩天文物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics,CfA)Zachory Berta等人藉助哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)的幫助,發現一種新型態的系外行星—被濃厚、水汽蒸騰的大氣包圍的水世界。

這顆編號為GJ 1214b的系外行星由CfA的David Charbonneau於2009年利用地面望遠鏡發現,直徑約為地球的2.7倍,質量則約為地球的6.5倍,介在天王星和地球地球之間,是個所謂的「超級地球(super-Earth)」。它的母星是顆M4.5型的紅矮星,直徑約為太陽的1/5,質量約為太陽的10%,表面溫度僅約3000K。GJ 1214b距離母星約200萬公里,公轉一周僅需38小時,天文學家由此估計它的表面溫度約為攝氏230度左右。當時就認為這顆行星上一部份的水可能是所謂的冰7(Ice VII),這是種在高於20,000倍地球表面平均大氣壓的極高壓狀態下才能存在的水結晶晶形。

CfA學者Jacob Bean等人曾於2010年時測量GJ 1214b有大氣層,發現可能絕大部分是由水所組成的(請參見天文新知 2010-12-02 超級地球的大氣層可能充滿水蒸氣或霧霾)。然而,他們的測量也可以用大氣中出現全球性的霧霾現象來解釋。Berta等人於是決定利用哈柏太空望遠鏡3號廣角相機(Wide Field Camera 3, WFC3),趁它越過其母恆星前方的凌日(transit)時機來觀察研究GJ 1214b的紅外光譜。在凌日期間,母恆星發出的光會先透過行星的大氣層才能抵達地球,行星大氣因而會吸收一部份特定波長的光而形成吸收譜線,天文學家便可藉由這些譜線反推行星大氣中的組成成分。

若GJ 1214b大氣中是霧霾,那麼在紅外波段的透明度就會比可見光波段高,因此由哈柏觀測結果便可判定這顆行星的大氣究竟是富含水蒸氣,還是霧霾。結果發現,GJ 1214b的光譜在很寬的一大帶波段中都沒什麼特徵。最接近哈柏觀測資料的大氣模型,便是由水蒸氣所組成的濃厚大氣層。

既然這顆行星的質量和體積大小均為已知,天文學家便可計算行星的密度,估算僅為2g/cm3。純水的密度是1g/cm3,地球的平均密度則為5.5g/cm3。由此可知,GJ 1214b所含有的水量比地球多很多,岩石含量則比地球少很多。換言之,GJ 1214b的內部是個與地球截然不同的世界。Berta表示:這顆系外行星的內部很可能是高溫高壓下產生的怪異物質,例如「熱冰(hot ice)」或「超流體水(superfluid water)」等。

理論學家猜測在該行星系統形成初期,GJ 1214b應該在離母星比較遠、含水量比較豐富的地方形成,之後軌道位置才逐漸向母恆星逐漸靠近。在往母星靠近的過程中,穿越這顆恆星的適居區(habitable zone),即行星表面溫度與地球相當,行星表面的水可以以液態方式存在的區域。不過,它曾在適居區逗留過多久,就不得而知了。

GJ 1214b位在蛇夫座方向,距離地球僅約40光年,因此才會被選為下一代太空望遠鏡—韋柏太空望遠鏡(James Webb Space Telescop)發射升空後將要進行的主要研究觀測目標之一。

資料來源:2012.02.21, KLC

  1. http://www.spacetelescope.org/news/heic1204/
  2. http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2012/13
  3. http://www.cfa.harvard.edu/news/2012/pr201204.html

轉載自台北天文館之網路天文館網站


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