系外行星大氣中的鐵 能告訴你這些秘密

     瑞士伯爾尼大學的延斯·霍伊梅克斯和凱文·亨教授帶領的研究團組近日在《自然》雜志上發表論文，報告在KELT-9b的大氣中發現了中性鐵原子，以及一次電離的鐵和鈦離子。這是首次在系外行星的大氣中直接探測到重金屬的原子和離子，是系外行星領域的重要研究進展。

　　研究行星形成的重要元素

　　與大多數已知的帶有系外行星的恒星不同，KELT-9b的主星是一顆快速自轉的高溫恒星，質量約為太陽的2.5倍，其表面溫度高達10170開爾文，光譜型介于B型和A型之間，距離地球約620光年。由于KELT-9b到主星的距離只有不到水星與太陽距離的十分之一，所以軌道周期也非常短，公轉一圈還不到36個小時，并且被潮汐力鎖定，只能以固定的一面朝向主星。由于主星溫度高并且行星距離近，在這兩個因素的共同作用下，KELT-9b朝向主星的那一面溫度達到了驚人的4600開爾文，甚至超過了大多數恒星的表面溫度，榮登最熱的系外行星榜首。

　　一般認為，行星誕生于恒星形成初期的原行星盤，而原行星盤和它們的主星是在同一片氣體星云中誕生的，因此應當具有相似的化學組成。天文學家雖然不能像研究月球和火星那樣通過著陸和采樣研究系外行星的成分，但是可以追蹤主星的光在行星大氣中穿過時留下的“指紋”，得知行星大氣中存在哪些化學元素。也正因為如此，在所有已發現的系外行星中，具有凌星現象的行星是備受青睞的“寵兒”。

　　先前天文學家已經在一些凌星行星的大氣中找到了一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、甲烷、一氧化鈦等簡單的分子，以及鈉、鉀、鈣等較輕的金屬元素，但是對于更重的金屬原子則一無所獲。在重金屬元素中，最引人注目的是鐵。這不僅因為它是星光中譜線最豐富的元素，而且因為它是原子序數大于14的元素中含量最高的，并且還是恒星以核聚變的方式制造新元素的“終點”，因此通常把鐵相對于氫元素的含量作為恒星金屬元素豐度的代表。如果能在行星的大氣中探測到鐵，對研究行星的化學組成、行星的形成過程、恒星與行星的相互作用都會產生有力的推動，具有里程碑式的意義。

　　一個難得的珍貴樣本

　　盡管鐵元素在行星中幾乎是一定存在的，但卻極難探測。在太陽系的行星中，絕大多數鐵元素以固體的形式封存在行星的核心，而先前已發現的大多數熱木星的表面溫度也不足以令鐵蒸發為氣態，所以幾乎不存在可從遠方觀測到的光譜信號。此外，恒星中也存在鐵元素，恒星與行星大氣的譜線混雜在一起，難以區分鐵元素究竟是來自行星大氣還是主星。要找到行星大氣中的鐵元素，必須選擇那些溫度極高的行星，同時主星最好是B型或者A型星，它們的溫度足夠高，自轉也非?？?，幾乎看不到恒星鐵元素的譜線，如同一個“純凈”的背景光源。2017年以前，雖然已經發現了幾千顆系外行星，但還沒有一顆能夠同時滿足以上條件。

　　KELT-9b的發現給研究帶來了轉機。在4600開爾文高溫的行星大氣中，鐵、鈦等較重的金屬元素幾乎不可能形成固體或液體，只能以氣態的形式存在，甚至大部分都被電離成了一價鐵離子（Fe+）和一價鈦離子（Ti+）。行星大氣中遮擋光譜信號的云層和灰霾也消失得無影無蹤，幾乎一定是“清澈透明”的。同時，它的主星還是一顆高溫的、快速自轉的A型星，因此是一個難得的珍貴樣本。當KELT-9b被發現后，伯爾尼大學的凱文·亨教授就帶領他的團隊對KELT-9b開展了深入的研究。結果表明，Fe、Fe+、以及Ti+的信號都被清晰地探測到了，而未探測到中性鈦原子的信號也可以得到很好的解釋，即在KELT-9b的高溫下，絕大多數的鈦原子都被電離成了一價鈦離子。

　　KELT-9b可以歸為一個全新的行星類別，即“超高溫熱木星”，與以往發現的行星都不同。此外，伯爾尼大學團隊的理論模型還預測，像一氧化碳（CO）這樣的分子在相當寬的溫度范圍內都可以在行星大氣中占據主導地位。如果將來能夠在KELT-9b的大氣中觀測到近紅外波段CO分子和水分子的光譜信號，就能直接對行星大氣的碳氧（C/O）比率，甚至行星的金屬豐度作出重要的限制。因為先前的一些研究表明，有可能存在一類由碳元素主導的行星，這與我們通常認為的由氧元素主導的行星完全不同。凱文·亨教授表示，在研究行星時，人們不應當只關注于類似太陽系的行星系統，因為宇宙中還存在很多非常奇特的行星，KELT-9b就是其中一例。

來源：科技日報