黑色焦油:關於熱木星的(幾乎)黑暗真相

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不是系外行星 - 但原理相同:TRACE 航天器在光學和紫外波長下觀測到的金星凌日(NASA/LMSAL)

1995 年發現的第一顆圍繞正常恆星執行的系外行星與我們自己的太陽系相比,絕非正常。飛馬座 51 b 是一顆氣體巨行星,每 4.23 天繞行一次軌道 - 這使其比水星繞太陽執行的軌道近八倍。這顆新行星至少有木星一半的質量,它不僅是最早的系外行星之一,而且是全新型別天體中的第一個 - 熱木星。如此巨大的、富含氣體的行星如何能在如此靠近恆星的軌道上存在,這是一個巨大的謎團。我們仍然沒有完全理解所有細節,但似乎像這樣的行星一定是在離恆星更遠的地方形成的,然後透過諸如 星盤遷移 和系統中其他行星的 引力攝動 等機制,軌道演化將它們向內輸送。

這些對我們來說是非凡的行星,但在宇宙背景下,它們遠非不尋常。大約 3% 的恆星擁有像這樣的巨型天體,它們在靠近恆星的軌道上執行;在這個擁有 2000 億個太陽的星系中,這是一個巨大的總數。對於我們仍在起步階段的尋找系外行星的努力來說,它們是一個福音,相對而言,它們更容易透過引力牽引對其母星進行探測,並且比更小或軌道更遠的物體更有可能被看到凌星。熱木星還為我們提供了第一瞥地外大氣層的機會,從恆星加熱的熱點和 風暴 的明亮紅外光芒,到一些基本成分 - 鈉原子、氫、碳和氧。它們也以意想不到的方式讓我們震驚;有些具有非常膨脹的大氣層,有些則在 逆行軌道 上執行。


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但它們最違反直覺的特性之一通常被大眾忽視。熱木星往往非常黑暗。最近,Kipping 和 Spiegel 在《英國皇家天文學會月刊》上發表的一篇論文將這一點推到了聚光燈下(雙關語)。行星 TrES-2b 於 2006 年被發現,因為它凌日於其類太陽恆星。TrES-2b 的質量是木星的 1.2 倍,軌道距離僅為 0.04 天文單位,以 2.5 個地球日的年長繞行。該系統也在 NASA 的 開普勒任務 的視野範圍內,這使得 Kipping 和 Spiegel 能夠深入研究極高保真的開普勒資料,以探測 TrES-2b 在其軌道上呼嘯而過時可見光的變化。

使用這些資料,可以測量行星晝夜兩側亮度之間的差異 - 從我們的角度來看,夜側是當它在我們和恆星之間穿過時,而晝側是在行星繞到恆星背面之前和之後瞥見的。值得注意的是,開普勒資料顯示,從這個恆星-行星系統到達我們的總光量變化在晝夜交替期間僅約為百萬分之七。這轉化為一項發現,即 TrES-2b 完全被照亮的晝側幾乎沒有將任何比例的可見星光反射回我們。不僅如此,透過模擬行星大氣可能的成分和結構,Kipping 和 Spiegel 發現,從晝側看到的光至少有一半實際上來自行星自身的熱量。如此靠近恆星,TrES-2b 的外層大氣被加熱到 1000 攝氏度以上,足以像壁爐中的餘燼一樣發光。

結論是,正面觀察這顆行星反射的光線不到照射在其上的可見光的 1%,在他們最好的模型中可能只有 0.04%。它比黑色油漆更有效地捕獲光子。原因是,在這些高溫下,巨行星的外層大氣可能沒有反射性凝結物 - 沒有云 - 而溫暖的漩渦氣體非常擅長吸收入射的光子。相比之下,我們系統中寒冷的木星富含反射性氨雲結構,正面觀察時會反射約 50% 的光。並非所有熱木星都可能像 TrES-2b 那樣黑暗,但我們尚未完全檢查它們的特性,這很可能是一個共同特徵。這種測量為我們提供了對與我們太陽系中任何事物都不同的世界的大氣狀態的絕佳洞察力 - 巨大的溫暖氣體球,吸收光子。

渾濁的黑色行星的概念非常有趣,並將這個結果帶入了新聞,但是如果我們能用自己的眼睛看到 TrES-2b,它會是什麼樣子呢?這時,一點現實檢驗和視角就很有用了。照射到這顆行星上的星光大約比我們在地球上從太陽接收到的光亮 700 倍。因此,如果我們坐在 TrES-2b 周圍的軌道上,即使只有 1% 的光反射向我們,對於我們微不足道的眼睛來說,仍然看起來非常明亮。事實是,如此靠近恆星,那麼光子的巨大洪流將使所有反射物體看起來非常明亮,即使它們比木炭更暗。如果我們改為坐在 1 天文單位(相當於地球軌道)之外會怎樣?我們可以使用金星作為衡量標準。金星反射了令人難以置信的 75% 的可見光,但距離太陽比 TrES-2b 距離其恆星遠約 20 倍,半徑比 TrES-2b 小 15 倍。那麼,與滿相的金星相比,TrES-2b 對我們來說會顯得有多亮?

我已經掩蓋了一些事情,但非常粗略地說,我們從 TrES-2b 看到的反射光子通量仍然比來自金星的光子通量多約 3,000 倍。由於人眼對亮度的響應近似對數,這意味著儘管 TrES-2b 的反射率非常低,但它在我們的天空中仍然會顯得像金星一樣亮 3 倍 - 當然,前提是您可以將其從太陽的眩光中分離出來,考慮到其微小的軌道。所以有趣的是,儘管這顆行星非常擅長吸收光,但由於它的位置,如果我們能近距離親身觀察它,它實際上不會顯得漆黑。

熱木星確實可能非常黑暗,但您最終看到的一切都是相對的。

 

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