科学家测量340光年外另一个太阳系中一颗行星的大气

艺术家对系外行星“热木星”的概念。 图片来源：NASA、ESA 和 L. Hustak (STScI)

一个国际科学家团队使用智利的双子座地球天文台望远镜，是第一个直接测量大约 340 光年外另一个太阳系行星大气中水和一氧化碳含量的团队。

该团队由亚利桑那州立大学地球与太空探索学院的副教授 Michael Lane 领导，结果于今天（2021 年 10 月 27 日）发表在期刊上。 脾气本性.

在我们的太阳系之外有数千颗已知的行星（称为系外行星）。 科学家使用太空望远镜和地面望远镜来研究这些系外行星是如何形成的，以及它们与我们太阳系中的行星有何不同。

在这项研究中，莱恩和他的团队专注于“WASP-77Ab”行星，这是一种 系外行星 称为“热” 木星“因为它们就像我们太阳系中的木星，但温度超过 2000 度 F.

然后他们专注于测量其大气的成分，以确定与它围绕的恒星相比存在哪些元素。

“考虑到它们的大小和温度，热木星是测量大气气体和测试我们关于行星形成理论的绝佳实验室，”莱恩说。

虽然我们还不能向太阳系外的行星发送航天器，但科学家们可以使用望远镜研究来自系外行星的光。 他们用来观察这种光的望远镜可以在太空中，例如 哈勃太空望远镜，或来自地球，如双子座天文台望远镜。

莱恩和他的团队广泛参与使用哈勃测量系外行星的大气成分，但获得这些测量结果很困难。 不仅望远镜时间竞争激烈，哈勃仪器只测量水（或氧气），团队还需要收集一氧化碳（或碳）测量值。

这就是团队转向双子座南望远镜的地方。

“我们需要尝试不同的方法来回答我们的问题，”莱恩说。 “我们对南双子座能力的分析表明，我们可以获得非常准确的大气测量结果。”

Gemini South 是一个直径 8.1 米的望远镜，位于智利安第斯山脉的一座名为 Cerro Pachón 的山上，那里非常干燥的空气和可以忽略不计的云层使其成为望远镜的主要位置。 它由美国国家科学基金会（国家光学和红外天文学研究实验室）的 NOIRLab 运营。

使用双子座南望远镜和一种称为浸入式光栅红外光谱仪（IGRINS）的仪器，该团队观察了这颗系外行星绕其主星运行时的热辉光。 从这个设备中，他们收集了有关大气中各种气体的存在和相对数量的信息。

就像用于测量地球大气中水蒸气和二氧化碳含量的天气和气候卫星一样，科学家们可以使用光谱仪和望远镜（例如双子座南上的 IGRINS）来测量其他行星上各种气体的含量。

“试图弄清楚行星大气的组成就像试图用指纹解决犯罪，”莱恩说。 “污迹斑斑的指纹不会缩小太多范围，但非常干净整洁的指纹为犯罪者提供了唯一的标识符。”

哈勃太空望远镜为团队提供了一个或两个神秘的指纹，而双子座南的 IGRINS 则为团队提供了一整套晶莹剔透的指纹。

使用对 WASP-77Ab 大气中的水和一氧化碳的明确测量，该团队随后能够估计系外行星大气中氧气和碳的相对含量。

通过测量该图右栏中显示的多普勒频移，科学家可以及时重建行星朝向或远离地球的轨道速度。 行星的信号强度如中间列所示，沿着行星绕恒星运行时的投影表观速度（虚线海曲线），包含有关大气中各种气体数量的信息。 图片来源：P. Smith/M. Lines。 塞尔柯克/亚利桑那州立大学

“这些金额符合我们的预期，与主办明星的金额大致相同，”莱恩说。

在系外行星的大气中获取大量超细气体不仅是一项重要的技术壮举，尤其是使用地面望远镜，还可以帮助科学家在其他行星上寻找生命。

“这项工作展示了如何在不久的将来最终测量潜在宜居世界中的氧气和甲烷等生物特征气体，”莱恩说。

Line 和团队接下来要做的是对几颗行星重复这种分析，并在至少 15 颗其他行星上创建一个大气测量“样本”。

“我们现在可以得到类似于太阳系行星的气体丰度分数。测量更大的系外行星样本大气中碳和氧（和其他元素）的丰度提供了急需的了解木星等气态巨行星的起源和演化的背景 土星线说。

他们还期待着未来的望远镜可以提供什么。

“如果我们能用今天的技术做到这一点，想想我们将能够用像巨型麦哲伦望远镜这样的新兴望远镜做什么，”莱恩说。 “到本世纪末，我们很有可能能够使用相同的方法在太阳系外的类地岩石行星上探索潜在的生命信号，其中也包含碳和氧。”

参考：“木星热大气中的太阳能 C/O 和准太阳能金属性”，作者：Michael R. Line、Matteo Brugi、Jacob L. Penn、Siddharth Gandhi、Joseph Zaleski、Vivian Parmentier、Peter Smith、Gregory N. 梅根·曼斯菲尔德，伊丽莎 M. Kimton、Jonathan J. Fortney、Evgenia Shkolnik、Jennifer Passion、Emily Rausher、Jean-Michel Desert 和 Just B Wardner，2021 年 10 月 27 日， 脾气本性.
DOI：10.1038 / s41586-021-03912-6

除了 Line，研究团队还包括来自亚利桑那州立大学地球与太空探索学院的 Joseph Zaleski、Evgenia Shkolnik、Jennifer Patchens 和 Peter Smith； 马修·布鲁吉和悉达多·甘地来自 华威大学 （英国）; 雅各布·宾和梅根·曼斯菲尔德来自 芝加哥大学; Vivien Parmentier 和 Joost Wardenier 来自 牛津大学 （英国）; 德克萨斯大学奥斯汀分校的格雷戈里·梅斯（Gregory Mays）。 马里兰大学的伊丽莎·肯普顿； 乔纳森·福特尼来自加州大学圣克鲁斯分校； 密歇根大学的 Emily Rausher； 和阿姆斯特丹大学的让-米歇尔沙漠。