一个国际研究小组使用双子座北望远镜上的MAROON-X仪器研究了炙热的系外行星wasp - 76b。该团队成功地确定了该行星大气中的11种化学元素，为巨行星的形成和组成提供了至关重要的见解。这颗行星与恒星的距离是水星与太阳的距离的12倍，它达到了极端的温度，导致镁和铁等形成岩石的元素在上层大气中蒸发。
一项研究已经在极热的系外行星wasp - 76b的大气中发现了11种化学元素。研究结果表明，这颗行星的整体成分反映了它形成的原行星盘的成分，它的高温导致形成岩石的元素在大气中蒸发。有趣的是，研究小组还注意到，wasp - 76b中缺乏某些需要更高温度才能蒸发的元素，这导致了wasp - 76b可能吞噬了类似水星的行星上的物质的假设。
由Stefan Pelletier领导的一个国际研究小组，最近宣布他们对极热的巨型系外行星wasp - 76b进行了详细的研究。Stefan Pelletier是蒙特卡马尔大学Trottier系外行星研究所的博士生。
利用双子座北望远镜上的MAROON-X仪器，该团队能够识别并测量该行星大气中11种化学元素的丰度。
其中包括形成岩石的元素，其丰度甚至在木星或土星等太阳系巨行星上都不为人所知。该团队的研究发表在《自然》杂志上。
佩尔蒂埃说:“真正罕见的是，数百光年外的一颗系外行星能教给我们一些关于我们自己的太阳系可能不可能知道的东西。”“这项研究就是这样。”
图中所描绘的超热巨型系外行星wasp - 76b是一个非常热的世界，它的轨道离它的巨星很近。资料来源:国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/J。da Silva Spaceengine / M。Zamani
一个又大又热又奇怪的世界
wasp - 76b是一个奇怪的世界。它之所以能达到极端的温度，是因为它离它的母星非常近，那是一颗634光年外的双鱼座大质量恒星:大约是水星到太阳的12倍。它的质量与木星相似，但体积却是木星的六倍，因此相当“臃肿”。
自2013年广角行星搜索(WASP)计划发现它以来，许多团队对其进行了研究，并确定了其大气中的各种元素。值得注意的是，在2020年3月发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个研究小组发现了铁的特征，并假设火星上可能存在铁雨。
意识到这些研究后，Pelletier开始积极地利用位于夏威夷的双子星北8米望远镜上的MAROON-X高分辨率光谱仪对WASP-76 b进行新的独立观测，该望远镜是由NSF NOIRLab运营的国际双子星天文台的一部分。
“我们认识到，强大的新型maron - x光谱仪将使我们能够研究WASP-76 b的化学成分，其细节程度对任何巨型行星来说都是前所未有的，”UdeM天文学教授Bj?rn Benneke说，他是这项研究的合著者，也是Stefan Pelletier的博士研究导师。
图片来源:国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/P, Stefan Pelletier和他的同事使用了双子星北望远镜来评估超热系外行星wasp - 76b的大气成分。Horálek(奥帕瓦物理研究所)
与太阳相似的成分
在太阳内部，元素周期表中几乎所有元素的丰度都是非常精确的。然而，在我们太阳系的巨行星中，只有少数元素是正确的，它们的组成仍然很少受到限制。这阻碍了对这些行星形成机制的理解。
由于离它的恒星很近，wasp - 76b的温度远高于2000摄氏度。在这样的温度下，许多在地球上通常会形成岩石的元素(如镁和铁)会蒸发，并以气态形式存在于上层大气中。研究这颗奇特的行星使我们能够前所未有地深入了解巨行星上形成岩石的元素的存在和丰富程度，因为在像木星这样较冷的巨行星上，这些元素在大气中的含量较低，不可能被探测到。
Pelletier和他的团队在这颗系外行星的大气中测量到的许多元素的丰度——比如锰、铬、镁、钒、钡和钙——与它的主星以及我们自己的太阳非常接近。
这些丰度不是随机的:它们是大爆炸的直接产物，随后是数十亿年的恒星核合成，因此科学家们在所有恒星中测量的成分大致相同。然而，它与像地球这样的岩石行星的组成不同，后者以更复杂的方式形成。
这项新研究的结果表明，巨行星可以保持一种反映它们形成的原行星盘的整体组成。
其他元素的消耗非常有趣
然而，与恒星相比，行星上的其他元素被耗尽了——Pelletier发现这个结果特别有趣。
他说:“这些在wasp - 76b大气中缺失的元素恰恰是那些需要更高温度才能蒸发的元素，比如钛和铝。”“与此同时，那些符合我们预测的元素，比如锰、钒或钙，都在稍低的温度下蒸发。”
发现小组的解释是，观测到的巨行星上层大气的组成对温度非常敏感。根据一种元素的凝结温度，它会以气体形式存在于大气层的上层，或者凝结成液体形式，下沉到更深的层。当它以气体的形式存在时，它在吸收光方面起着重要的作用，在天文学家的观测中可以看到。当它被压缩后，天文学家就无法探测到它，在他们的观测中就完全消失了。
佩尔蒂埃说:“如果得到证实，这一发现将意味着两颗温度略有不同的巨型系外行星可能拥有非常不同的大气层。”“有点像两壶水，一壶在-1°C时是冷冻的，另一壶在+1°C时是液体。例如，在wasp - 76b上观察到钙，但在稍微冷一点的行星上可能没有。”
首次检测到氧化钒
Pelletier团队的另一个有趣发现是检测到一种叫做氧化钒的分子。这是第一次在系外行星上明确检测到它，天文学家对此非常感兴趣，因为他们知道它会对热巨行星产生重大影响。
Pelletier解释说:“这种分子在地球大气中扮演着与臭氧相似的角色:它在加热高层大气方面非常有效。”“这导致温度随着海拔的升高而升高，而不是像在较冷的行星上通常看到的那样下降。”
有一种元素，镍，在这颗系外行星大气中的含量显然比天文学家预期的要多。许多假设可以解释这一点;一种是wasp - 76b可能从类似水星的行星上吸积了物质。在我们的太阳系中，这颗小的岩石行星富含镍等金属，因为它的形成方式。
Pelletier的团队还发现，在之前的研究中，wasp - 76b的东西半球对铁的吸收不对称，在许多其他元素中也同样存在。这意味着导致这种现象的潜在现象可能是一个全球性的过程，比如温度的差异或云在地球的一边而不是另一边存在，而不是像之前认为的那样是凝结成液体形式的结果。
有限公司确认和利用经验教训
Pelletier和他的团队非常渴望了解更多关于这颗系外行星和其他超热巨行星的信息，部分原因是为了证实他们的假设，即在温度略有不同的行星上，可能存在截然不同的大气层。
他们还希望其他研究人员能够利用他们从这颗巨大的系外行星中学到的知识，并将其应用于更好地了解我们自己的太阳系行星及其形成方式。
“一代又一代的研究人员利用木星、土星、天王星和海王星测量的氢和氦的丰度来作为气体行星形成理论的基准，”Benneke说。同样，对wasp - 76b上钙或镁等重元素的测量将有助于进一步了解气态行星的形成。
参考文献:“钒的氧化和冷捕获在一个巨大的系外行星上的突然开始”，作者:Stefan Pelletier, Bj?rn Benneke, Mohamad Ali-Dib, Bibiana Prinoth, David Kasper, Andreas Seifahrt, Jacob L. Bean, Florian Debras, Baptiste Klein, Luc Bazinet, H. Jens Hoeijmakers, Aurora Y. Kesseli, Olivia Lim, Andres Carmona, Lorenzo Pino, Núria Casasayas-Barris, Thea Hood和Julian strmer, 2023年6月14日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06134 - 0
除了Pelletier和Bj?rn Benneke，该团队还包括:Luc Bazinet和Olivia Lim，两位研究生，来自de montracimal大学的Trottier系外行星研究所(iREx);穆罕默德·阿里-迪布(Mohamad Ali-Dib)， iREx前Trottier博士后，现就职于纽约大学阿布扎比分校;以及来自加拿大、阿拉伯联合酋长国、瑞典、法国、英国、美国、意大利、荷兰和德国的其他13名共同作者。
