距離地球630光年的地方，下起了“鐵雨”

作者：季江徽（中國科學(xué)院紫金山天文臺）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID ：kexuedayuan）

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在我們太陽系內(nèi)，絕大多數(shù)鐵元素存在于地球或木星等行星的內(nèi)核，然而最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)表明，在宇宙的其他地方可不一定是這樣，比如：系外巨行星的大氣中可能下起“鐵雨”。

圖片來源：ESO/ M. Kornmesser

WASP-76b：永恒夜幕下的鐵雨

2019年，由歐洲多國天文學(xué)家組成的研究團(tuán)隊利用歐洲南方天文臺甚大望遠(yuǎn)鏡(Very Large Telescope，VLT)的ESPRESSO(the Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations)高精度光譜儀觀測到，距離地球630光年的系外行星WASP-76b大氣中有鐵原子，發(fā)現(xiàn)鐵原子會在該行星的背陽面（nightside，夜面）大氣中冷凝成“鐵雨”[1]。

WASP-76b是一顆公轉(zhuǎn)周期僅有1.8天的超高溫氣態(tài)巨行星，這顆行星呈現(xiàn)為潮汐鎖定狀態(tài)。這也就意味著它的公轉(zhuǎn)周期與自轉(zhuǎn)周期相同，從而導(dǎo)致行星的向陽面（dayside, 晝面）始終朝向恒星。這就好比從地球上看月球只能看到月球的正面，正是因為月球被地球潮汐鎖定。在恒星強烈的輻射下，WASP-76b向陽面的大氣溫度高達(dá)2400°C，這顆行星的大氣如此熾熱（接近太陽表面溫度(5500°C)的一半）足以使金屬汽化。在這樣的極端環(huán)境下，這顆行星大氣特征和化學(xué)過程似乎頗為不尋常。

天文學(xué)家先前已觀測到超短周期系外行星大氣中的金屬元素，也發(fā)現(xiàn)了行星晝夜面存在明顯的溫差[2-6]，但是在WASP-76b上首次觀測到了鐵原子在晨昏線上的不均勻分布。在凌星觀測中，可以通過行星大氣透射譜來解譯其大氣成分?？紤]行星自轉(zhuǎn)時的多普勒效應(yīng)，WASP-76b東西兩側(cè)邊緣靠近和遠(yuǎn)離觀測者的速度體現(xiàn)為，大氣透射譜中鐵原子吸收特征關(guān)于凌星中心時刻對稱分布的紅移或藍(lán)移(圖1)。而在整個凌星過程中，鐵原子吸收特征以藍(lán)移為主，這表明鐵原子幾乎都分布在向陽面至背陽面的晨昏線上，意味著在這交界處擁有豐富鐵蒸氣。實際測量到的藍(lán)移值大于行星自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的藍(lán)移，故WASP-76b表面還存在一定速度的緯向風(fēng)將鐵原子自向陽面吹向背陽面。研究人員推測鐵蒸氣在背陽面凝結(jié)形成“鐵雨”，然后從大氣落回行星表面，因此沒有發(fā)現(xiàn)鐵蒸氣的蹤影。

從太陽系演化模型來說，我們所熟悉的太陽系行星中所含的重元素（例如鐵）均來自太陽星云，目前絕大部分存在于類地行星（例如地球）或巨行星的內(nèi)核。但是這顆系外行星的大氣中居然也有大量鐵元素，令人十分驚訝。

通過了解系外行星大氣觀測方法，我們或許可以端倪WASP-76b大氣中鐵元素的來源，這或許與其形成演化有關(guān)。

圖1 a.WASP-76b凌星過程，b.鐵原子吸收特征的示意圖 [1]

不可能的任務(wù)：測量近千光年外行星的大氣成分

天文學(xué)家通常利用直接成像法和凌星法來研究系外行星大氣。

直接成像法[7]在可見光波段和紅外波段的觀測，可直接獲得行星大氣中各類分子譜線特征，如H2O、O2、O3、CH4、CO2等甄別生命信息的重要成分，即為所謂的“化學(xué)指紋”。通過凌星法[7]探測并比較恒星在被行星遮掩前后的光譜變化，即可獲得行星大氣的化學(xué)成分。

比如當(dāng)行星環(huán)繞恒星運行時，觀測者可以記錄行星與恒星共同亮度關(guān)于軌道相位的變化曲線(相曲線，如圖2)。

圖2 熱木星 HD 189733b 的在 4.5 μm 波段的相曲線[8]

具體而言，當(dāng)發(fā)生主凌時(Primary Eclipse / Transit)，行星在恒星前方，遮擋恒星光，很少部分的恒星光穿過行星外緣的大氣。大氣吸收越強，恒星亮度下降就越多，由此可得到的透射譜可用于研究晨昏線上的行星大氣成分。當(dāng)發(fā)生次凌時（Secondary Eclipse），行星處在恒星后方，若在近紅外或中紅外波段比較凌食前后行星與恒星累加亮度的變化，便可得到行星的熱發(fā)射譜及行星晝面大氣的溫度分布 (圖3)。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡提供了許多系外行星大氣的主凌透射譜，而大部分的次凌熱發(fā)射譜探測則來自 Spitzer空間望遠(yuǎn)鏡。

圖3 主凌(左), 觀測到的是行星晨昏線上大氣的透射恒星光。次凌(右)，觀測到的是行星晝面大氣吸收恒星光的再發(fā)射及反射的恒星光[9]

凌星法探測靠近宿主恒星的熱木星和超級地球的行星大氣，而直接成像法主要探測離恒星較遠(yuǎn)的年輕氣態(tài)巨行星大氣。

那么它們分別看到了什么樣的大氣呢？

熱木星、“超級地球”及宜居行星的大氣

熱木星離宿主恒星近且其溫度極高，更易進(jìn)行大氣觀測。熱木星吸收了大量恒星的可見光，在紅外波段有大量的輻射，但在可見光波段非常暗，所以對熱木星的大部分觀測都是在紅外波段。通常認(rèn)為熱木星大氣成分與太陽系內(nèi)的木星、土星大氣類似，主要是由H、He構(gòu)成的來自星云中的原始大氣。熱木星大氣中還含有由O、C、N元素組成的H2O、CO、CH4等物質(zhì)[10]，這些物質(zhì)標(biāo)記了熱木星大氣的主要特征譜線。除了介紹的WASP-76b大氣中的鐵原子，在HD 209458b, WASP-17b等熱木星中還發(fā)現(xiàn)了Na和K等堿金屬元素[11-12]。

由于熱木星處于潮汐鎖定狀態(tài)，其晝面永遠(yuǎn)面向恒星。熱木星的大氣環(huán)流將大氣所吸收的恒星輻射能量重新分布，若沒有熱木星大氣的環(huán)流作用，則晝夜面溫度差異會很大，且最熱的區(qū)域會位于宿主恒星直射的星下點。熱木星大氣環(huán)流的原理類似于地球上的哈德利環(huán)流（Hadley Circulation）(圖4)，由于行星表面受熱不均勻，行星赤道附近獲得更多熱量，較熱的氣體團(tuán)會往上、向兩極方向運動, 遇冷后下沉再往赤道方向回流。

除了沿行星表面的環(huán)流，熱木星可能還會產(chǎn)生縱向的大氣逃逸。2018年，天文學(xué)家在熱木星WASP-107b[14]的近紅外波段大氣透射譜中觀測到了高層大氣中He原子的強吸收特征，這表明該行星有一個延展大氣，正以1010-3 ′ 1011g·s-1的速度逃逸，該過程有可能將其轉(zhuǎn)化為海王星質(zhì)量的超短周期行星。

圖4哈德利環(huán)流[13]

超短周期行星(Ultra-short period planets, USPs)一般指公轉(zhuǎn)周期小于1天的系外行星(圖5)，這些行星處于潮汐鎖定態(tài)。目前已發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的4000余顆系外行星中約有100顆超短周期行星，例如55 Cnc e是第一顆被發(fā)現(xiàn)的超短周期行星[15]，周期約為17.5小時。目前已知的公轉(zhuǎn)周期最短的行星KOI-1843.03公轉(zhuǎn)一周僅需4.25小時[16]，這可真是度年如時！

圖5系外行星族群軌道周期及質(zhì)量分布

(Credit：http://exoplanet.eu)

與熱木星不同的是，目前觀測到的大部分超短周期行星屬于“超級地球”，通常指質(zhì)量在 1-10 M⊕的巖石行星。因為“超級地球”的質(zhì)量和半徑比熱木星小很多，因此觀測和研究它們的大氣極具挑戰(zhàn)。由于距離宿主恒星極近，超短周期行星的大氣相比其他“超級地球”更容易觀測。迥異于氣態(tài)巨行星保持的原始大氣，巖石行星大多為次生大氣，而超級地球的大氣形成和演化會與太陽系的“親戚”產(chǎn)生極大差異。

宜居行星的大氣更為天文學(xué)家和公眾所關(guān)注，然而并不容易獲得。天文學(xué)家將行星系統(tǒng)中適合生命存在的行星軌道范圍稱為“宜居帶”。行星與宿主恒星相隔一段合適的距離，使其表面平均溫度能夠維持液態(tài)水穩(wěn)定存在。同時，恒星輻射和活動性不能太強，如行星圍繞一顆紅矮星運轉(zhuǎn)，而紅矮星紫外輻射很強，會使得行星大氣中的水分子、二氧化碳分子發(fā)生光致電離，也有可能剝離行星大氣。一般可通過尋找行星大氣光譜中的“化學(xué)指紋”（O2、O3、CO2和CH4等）來判斷宜居行星是否適合生命存在。

目前天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)數(shù)十顆宜居帶行星，這些天體基本上均分布在紅矮星周圍。例如，距離我們最近的恒星比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)的宜居帶類地行星“比鄰星b”（ Proxima b）(圖6)，它是一顆距離地球只有4.2光年的巖石行星，這顆行星同樣可能存在液態(tài)水。近期研究表明CO2和N2等大氣成分和100 ~ 5000毫巴大氣壓力的組合可以保護(hù)“比鄰星b”大氣免受強恒星耀斑活動的紫外輻射破壞[17]，維持其表面的宜居性。這或許意味著，系外行星大氣可能具備與地球不同的條件，使地外生命可以應(yīng)對高紫外線輻射的環(huán)境。

人類之所以要觀測系外行星大氣，終極目標(biāo)是為了尋找宜居行星或地球2.0，相關(guān)的嘗試也越來越多。

圖6 比鄰星系統(tǒng)與內(nèi)太陽系對比

Credit: ESO / M. Kornmesser / G. Coleman

征途：尋找下一個家園

目前大部分已探測到的系外行星均由美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的Kepler望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。NASA新發(fā)射的TESS望遠(yuǎn)鏡[18]計劃在兩年的任務(wù)期間發(fā)現(xiàn)約20,000顆系外行星，預(yù)計發(fā)現(xiàn)大約500顆R