海王星级系外行星正在快速蒸发消散中(组图)



艺术家想像的GJ 3470b横越母恒星的情景。(图片来源:NASA,ESA,and D.Player,STScI)

瑞士日内瓦大学(University of Geneva)天文学家Vincent Bourrier等人透过哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope)观测发现一颗很靠近母恒星的系外行星GJ 3470b,这是颗海王星级系外行星,但离母恒星仅约600万公里,相当于水星到太阳距离的1/10左右,其大气被母恒星强烈辐射炙烤至超过摄氏930度的程度,导致大气被快速蒸发,脱离行星重力掌控,使行星直径逐渐缩减。

目前已知的非常靠近母恒星的系外行星中,绝大部分要嘛就大到热木星(hot Jupiter)等级,要嘛就是小到热超级地球(hot super-Earth,小于1.5倍地球直径)等级,很少有介在中间的热海王星(hot Neptune)等级。热海王星之所以这么罕见的原因,天文学家认为或许是因为这类热海王星本来就很稀少,或是因为只在某一时期数量很多但之后却消失的缘故。事实上,绝大部分已知的海王星级系外行星都只是“温暖”的程度,其公转距离远离了天文学家认为能发现热海王星的区域,是谓“暖海王星(warm Neptune)”。

天文学家们不知道热海王星都到哪去了。如果绘制行星大小相对于至母恒星距离的分布图,会发现图中出现一个空白地带(下图中标示Hot Neptune Desert之处),让天文学家疑惑不已。天文学家们并不确定大气蒸散对这个空白地带的影响有多重要,但至少哈伯观测显示有许多暖海王星在空白地带边缘,所以这是大气蒸散的确与空白地带有关的直接证据。


系外行星半径相对于至母恒星距离的分布图。(图片来源:NASA,ESA,and A.Feild,STScI)

由于被蒸散的大气会在行星周围形成庞大的气体云茧,行星经过母恒星前方时,气体云茧中的氢元素吸收恒星星光,致使恒星光谱中的紫外波段出现吸收特征。因此Bourrier等人就是利用哈伯上的光谱相机(Space Telescope Imaging Spectrograph)搜寻这个氢的紫外特征,以兹为行星大气流失的铁证。

到目前为止,天文学家已发现2颗大气正在逸散至太空中的暖海王星。在最近的GJ 3470b发现之前,前几年发现的GJ 436b曾是表面温度最高的暖海王星。测量出的温度更高的GJ 3470b,其大气蒸散速度约是GJ 436b的100倍,是目前已知行星中质量流失速度最快者之一!Bourrier等人估计:GJ 3470b存在至今,大约已流失35%的原始物质;在它的红矮星母星更年轻、发出更多辐射的时期,质量流失速率可能比现在还高。

GJ 3470b蒸散速度比GJ 436b快的原因,可能是因为GJ 3470b大气比较没那么稠密,导致其被母星加热之后,受到的重力束缚也比较少,所以比较容易逸散。另一个原因可能是因为GJ 3470b的母恒星只有20亿岁,比GJ 436b母恒星的40~80亿岁年轻多了;虽然这两颗恒星都是红矮星,但年轻恒星释放能量比较强烈,GJ 3470b受到的冲击自然会比GJ 436b多。

这些发现让天文学家更加确信:这些炽热的系外行星可能属于生命期很短暂的罕见类型,其最终命运就是会缩减至绝大部分常见的已知系外行星类型—“迷你海王星(mini-Neptunes)”,这种行星比地球大但比海王星小,且拥有以氢为主的浓厚大气。甚至,迷你海王星的大小还会继续缩减成“超级地球”的程度,成为质量以地球大的岩质行星。如果GJ 3470继续快速地流失质量,估计或许在在约几十亿年之后,也会缩减成一颗迷你海王星。

氢并不是GJ 3470b大气唯一逃跑的元素,但却可作为其他流失物质的示踪器(tracer)。这些天文学家认为蒸散的氢拽着诸如原本在大气比较深层的碳等其他元素跟着一起流失至太空中,因此它们计划利用哈伯捕捉比氢和氦还重的其他流失元素。不过他们遇到一个难题,那就是受到星际气体的屏蔽,150光年外的暖海王星无法侦测到氢流失的现象。GJ 3470b距离地球只有97光年,还在可侦测范围内。

因为氦不会被太空中的星际物质屏蔽,所以氦可作为暖海王星大气流失物质的另一个示踪元素。这些天文学家利用哈伯和未来的韦伯太空望远镜在红外波段搜寻氦元素特征,如此一来便可拓展搜寻的范围,而且韦伯非常灵敏,或许还可侦测到迷你海王星流失大气中的氦元素。


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