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在地球上烹制异星大气

[ 录入者:Melipal | 时间:2019-05-02 22:02:58 | 作者:Melipal 译 | 来源: | 浏览:456次 ]

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作者:Calla Cofield   原文来自:   Posted: 2019. 3. 15

编译:Melipal   审校:Linq

来自加州帕萨迪那(Pasadena)NASA喷气推进实验室的研究者正在地球上烹制一颗系外行星的大气。在一项新研究中,JPL的科学家使用一台高温“烤炉”将氢和一氧化碳气体的混合物加热到超过2000华氏度(1100摄氏度),这一温度大约与熔融的岩浆相当。这样操作的目标是模拟某类特殊的系外行星(太阳系以外的行星)——“热木星”大气中可能存在的条件。

这张艺术概念图展示了一颗“热木星”KELT-9b的形象。热木星是轨道距离主星极近的气体巨行星。KELT-9b是热木星的一个极端案例,其昼半球温度高达7800华氏度(4300摄氏度)。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

热木星是轨道极其靠近主星的气体巨行星,在太阳系中并不存在此类天体。地球环绕太阳运动一周需要365天,而热木星的轨道周期还不到10天。它们距离主星极近,这就意味着其上的温度可以达到1000到5000华氏度(530到2800摄氏度)。作为比较,在水星(环绕太阳一周需时88天)上炎热的日子里,地表温度可以达到800华氏度(430摄氏度)。

来自JPL的首席科学家墨希·古迪帕蒂(Murthy Gudipati)说:“虽然在实验室中不可能精确模拟出条件严酷的系外行星环境,我们还是可以取得非常接近实际的结果。”古迪帕蒂是进行这项新研究的小组领导者,研究结果发表在上。

小组从一种简单的化学混合物入手,这种混合物主要由氢组成,含有0.3%的一氧化碳气体。这些分子在宇宙以及早期太阳系中都非常普遍,它们也是热木星大气的合理组分。随后小组将混合气体加热到620到2240华氏度(330到1230摄氏度)。

来自JPL的科学家使用图片中央的“烤炉”将氢气和一氧化碳的混合物加热,并让气体暴露在由放电氢灯发出的紫外辐射中。氢灯可以释放可见光(图中的粉色辉光)以及紫外辐射,辐射经由烤炉右侧的窗口进入内部的气体容器中。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

小组还将实验室产物暴露在了大剂量的紫外光中——这与在极近的距离上环绕主星运行的热木星经历的情况相近。紫外光被证明是一种有效的成分,它在很大程度上是该研究最让人吃惊的结果背后的罪魁,而这些结果说明了如此炽热的大气中可能发生的化学过程。

用行星的标准来看,热木星非常庞大,而且较低温行星发出的辐射更强。这些因素让天文学家可以搜集较其他类型的系外行星更多的大气信息。这些观测揭示出,许多热木星的大气在高纬度地区并不透明。虽然云层可能能够用于解释这种不透明度,不过随着气压的降低,云层越来越难以维持,而我们观测到的不透明度却出现在低气压的区域。

科学家一直以来在搜寻云层之外的其他可能解释,而气溶胶(悬浮在大气中的固态颗粒)或许就是一种可能性。然而JPL的研究者称,先前科学家并不清楚气溶胶在中可能的形成途径。在新的实验中,让炽热的化学混合物暴露在紫外光下就实现了这一点。

研究论文的第一作者、来自JPL的研究科学家本杰明·弗洛里(Benjamin Fleury)说:“这些结果改变了我们解释多霾热木星大气的方式。更进一步,我们希望能够研究气溶胶的性质。我们希望能够更好地了解它们的形成、它们对光线的吸收形式,以及它们对环境变化的响应情况。这些信息可以帮助天文学家了解观测这些行星时所见的情况。”

右图中小小的蓝宝石盘展示了形成于高温烤炉内部的有机气溶胶。左图中的盘子未被用于研究。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

这项研究带来了另一个意外:化学反应产生了大量的二氧化碳和水分。虽然人们曾经在热木星大气中找到过水蒸汽,但科学家主要认为,这种宝贵的分子只会在氧气多于碳元素的情况下才能形成。新的研究证明,水分可以在氧气与碳同样多的时候出现。(一氧化碳分子含有一个碳原子和一个氧原子。)而虽然一些二氧化碳(一个碳原子和两个氧原子)毋须紫外线照射即可形成,当增加模拟星光后,形成二氧化碳的反应被加速了。

研究论文合作者、JPL的系外行星科学家马克·斯万恩(Mark Swain)说:“对于解释热木星大气所见情况来说,新的结果具有及时的实用性。我们曾经假设,温度支配了此类天体大气中的化学反应,但本研究证明,我们需要考察辐射扮演的角色。”

凭借NASA预计于2021年发射的等新一代观测设备,科学家可能能够第一次描绘出系外行星详尽的化学档案,而这第一批考察目标可能就是热木星。这些研究将帮助科学家了解其他行星系是如何形成的,以及它们与太阳系有多么相似(或不同)。

对于JPL的研究者来说,这项工作只是个开始。与普通烤炉不同的是,他们的设备在研究期间将气体牢牢地密封了起来,以避免泄漏或污染,这样做也使得研究者能够在温度升高期间控制气压。凭借这一设备,现在他们可以在更高的温度上(3000华氏度,1600摄氏度)模拟系外行星的大气了。

来自JPL的研究科学家、论文合作者布莱亚纳·亨德森(Bryana Henderson)说:“由于大多数普通材料,如玻璃或铝,在如此高的温度上都会熔化,成功设计并运行这套系统是一个持续的挑战。我们还在了解如何在推进极限的同时在实验室中安全处置这样的化学过程。不过在一天快要结束的时候,从这些实验得出的激动人心的结果配得上所有额外的努力。”

(全文完)

Tags:热木星 大气

责任编辑:Melipal

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