一顆距離我們約 1360 光年的太陽系外行星是如此的接近它的恆星,以致於在雲當中包含著汽化的岩石。

極端環境

這顆行星稱作 WASP-178b,繞著一顆年輕、太陽質量兩倍的白星 WASP-178 旋轉,而其週期短到只有 3.3 天。在這麼接近的情況下,這個氣態世界中的溫度在飆升。它是如此的熱,以致於它被歸類為一顆「超熱木星」,很有可能是我們所知最極端的一種系外行星。

對這個狂野世界天氣的新研究首次辨識出,在這顆系外行星的大氣中有一氧化矽(silicon monoxide ,SiO),這給了我們全新觀點,來認識這些真的異世界。

約翰·霍普金斯大學(Johns Hopkins University)的天體物理學家大衛·辛教授(David Sing)說:「我們對於不同星球環境的天氣還沒有很了解。當你看著地球時,我們所有的天氣預測仍然是微調至我們可以量測的部分。但是,當到了一顆遙遠的系外行星時,我們預測能力就有限,因為我們還沒有建立一套一般理論,來解釋大氣中所有東西是如何走在一起、及如何應對極端狀態。」

超熱木星

熱木星(hot Jupiter)尤其令人驚奇,且很適合研究。正如同其名字所暗示的,這些世界就像木星一樣,是巨大氣體行星;但是它們也很熱,因為它們軌道極度接近其恆星,有些週期甚至不到一天。

它們帶來一些有趣的難題:它們不太可能是在它們現在的軌道上生成的,因為重力、輻射、以及強烈的星風(stellar wind)一定會避免讓氣體聚在一起。然而,目前為止已經發現超過 300 顆熱木星。天文學家相信,它們是在遠離恆星處所生成的,並且逐漸往內遷移。

WASP-178b 質量約為木星 1.4 倍,大小約為木星 1.9 倍。它因為其恆星的熱而狂熱起來,達到克氏溫度 2450 度(攝氏 2177 度)。這個溫度是觀測到汽化矽化物的最佳位置。理論研究顯示說,在超過克氏溫度 2000 度時,預期能偵測得到 SiO。

這裡解釋如何觀測。這顆系外行星經過地球與宿主恆星間。在每一次凌(transit)時,一些來自恆星的光被系外行星大氣中的原子所吸收。每種元素吸收或放射出不同波長的輻射;這表示說,透過從恆星所接收到的光的光譜中的訊號,這些元素能夠被辨識出來。

你可以想像說,這個訊號只有一下下,但若是將許多凌堆疊起來,天文學家就可以放大光譜,來得到一個可讀取的訊號。藉由使用這個方法,我們已能在熱木星上的大氣中,偵測到像是鈦、鐵以及鎂等汽化的金屬。

觀察結果

由辛教授與其猶他谷大學(Utah Valley University)同事喬許·若林傑教授(Josh Lothringer)所領導的研究團隊使用了哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope),來獲得 WASP-178b 的光譜,並發現一個不像任何曾見過物質的訊號。根據他們的分析,這個訊號是來自矽以及鎂。

他們在論文中寫到:「就我們所知,特別是 SiO,之前從來沒有在系外行星中被偵測到。但是,SiO 出現在 WASP-178b,這件事與理論所預期的一致,因為在高溫下,SiO 就是主宰的帶 Si 物質。」

WASP-178b 是所有已知的熱木星中,被其恆星潮汐鎖定的熱木星。這代表說,其中一側會永遠面向恆星,呈現永晝;而另一面會永遠面離恆星,呈現永夜。這在這顆系外行星的兩個半球之間產生了很明顯的溫度差,伴隨著旋轉的大氣在兩半球間打轉。

在系外行星的黑夜側,可能會夠涼爽而讓蒸汽先凝結成雲,落入大氣層更深處,之後再被吹回白晝側,在那礦物質又再一度的被汽化。

研究人員無法在 WASP-178b 的晨昏線(terminator),也就是劃分日與夜的線上,看到凝結的跡象。但是這結果指出,SiO 可能會存在於其他更觀察得到晨昏線的系外行星上,也就是 WASP-76b。如果岩石雨存在於某顆系外行星上的話,那這有可能就是找到它的地方。

未來目標

研究團隊的結果也顯示說,我們在窺探遙遠世界的神秘大氣上的能力越來越好。這對於觀察更小、更遠離它們恆星的系外行星而言是個好徵兆。

洛林傑教授說:「如果我們無法理解出,在有可靠固體觀測資料的超熱木星上,發生了什麼事,我們就沒有機會,從觀測類地系外行星所得的較弱光譜中,得知正發生什麼事。這是對我們技術的測試,讓我們可以打造對物理性質的一般知識,例如雲的形成以及大氣結構。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2022, April 9). This Alien World Is So Extreme, It Has Literal Clouds of Vaporized Rock. ScienceAlert
  2. Lothringer, J. D. et al., (2022, April 6). UV absorption by silicate cloud precursors in ultra-hot Jupiter WASP-178b. Nature. doi.org/10.1038/s41586-022-04453-2
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/this-alien-world-is-so-extreme-it-has-clouds-of-vaporized-rock(圖:ESO/L. Calçada)
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