科学家在“超热木星”上发现铁和钛

8月17日消息，有史以来第一次，天文学家在太阳系外的行星大气层中发现了铁和钛。 这颗名为KELT-9b的系外行星是迄今为止发现的最热的外星世界，甚至比大多数恒星还要热。

这颗酷热的系外行星位于天鹅座，距离地球约620光年，被天文学家称为“超热木星”。 KELT-9b是一个巨大的气态星球，就像我们太阳系中最大的行星 - 木星。但它要大得多，质量是木星质量的三倍，直径是木星直径的两倍，而且它的轨道非常接近它的热母星KELT-9。

“超热木星”是一个非官方的术语，指温度超过3100华氏度(1700摄氏度)的热木星系外行星。参与这项研究的瑞士伯尔尼大学天体物理学家凯文?亨（Kevin Heng）讲到，这些行星“非常热，以至于他们与恒星有一些相似之处，虽然它们是行星”。 KELT-9b的温度可达7,800华氏度（4,300摄氏度）。

这种破纪录的高温使天文学家能够探测KELT-9b大气中的铁和钛。长期以来，研究人员一直怀疑这些元素存在于一些系外行星上――铁是宇宙中最丰富的元素之一――但在较冷的环境中很难探测到它们，因为这些原子大多“被困在其他分子中”，亨说。 然而，KELT-9b非常热，云层不会在大气层中凝结，允许铁和其他金属的单个原子独立存在。

钛曾在一颗系外行星的大气层中被发现过――但不是以原子的形式。2017年9月，使用哈勃太空望远镜的天文学家宣布他们在名为Kepler-13A的系外行星的大气层中发现了二氧化钛（由一个钛原子和两个氧原子组成的分子）。

天文学家可以通过观察来自太空物体的光谱来探测不同的元素。 由于这颗系外行星并不发出自己的光，因此亨和他的研究小组研究了在凌日过程中收集的望远镜数据。

很方便的是，在亨和他的合著者决定着手这项研究之前，这些数据就已经存在了。他在日内瓦大学的同事们利用光谱数据在KELT-9b大气中寻找氢之后，“他们实际上把这些数据保存在抽屉里，因为没有理由去寻找铁或钛，” 亨说，“然后，几个月前，我们做了一项理论研究，预测那里会有铁和钛，这使我们开始展开搜索。”

利用来自西班牙拉帕尔马伽利略国家望远镜的一年前的数据，研究人员开始在持续时间超过4小时的凌日过程中寻找KELT-9b大气光谱中的金属元素迹象。这些数据是用一种叫做HARPS的光谱仪采集的，HARPS是一种高精度径向速度行星探测器。

“当你把光分成光谱时，不同的原子或分子都有一个独特的‘指纹’，”亨说，“只要有足够的分辨率，足够好的数据，每个分子都有一个独特的指纹。”在自然杂志网站上的一篇博客文章中，亨和他的团队已经怀疑KELT-9b大气中存在铁和钛的指纹，要找到这些元素的指纹需要“高性能计算技术的结合、光谱数据库的精心管理以及对细节的细致关注”。

亨的团队向伯尔尼大学的天体物理学家西蒙・格林（Simon Grimm）寻求帮助，“他是原子和分子不透明度计算方面的专家。”亨在博客文章中写道，“这些不透明度物的计算并不容易，因为我们需要评估数百万至数十亿条谱线的强度和形状。”

之前研究KELT-9b大气中氢的时候能够发现光谱中有很强的氢吸收谱线，而不需要像亨和他的团队那样做更复杂的相互关系分析来发现铁和钛。为寻找氢而收集数据的天文学家缺乏对铁等金属进行认真研究的理论动机。

7月2日发表在《自然天文学》杂志上的另一项研究表明，氢实际上是从KELT-9b的大气中“蒸腾”出来的，并被吸入了这颗行星的母恒星。马普天文研究所的天文学家、这项研究的第一作者费燕（Fei Yan）在电子邮件中写道：“有可能重金属元素可能也在逃逸，因为剧烈的氢逃逸可以将重元素“拖”到大气层中。”

虽然KELT-9b大气中的铁和钛是一个巨大的发现，但亨补充道：“技术本身也非常令人兴奋”。 “这与我们将用于检测生物学特征或生物印记的技术相同，”亨说。“在地球上，我们认为它是氧和一些其他模糊的分子，但我们不知道一般的生物印记是什么。如果你知道它们是什么，那你就可以使用完全相同的技术在较冷、较小的行星中检测这些分子“。

天文学家不太可能在这个地狱般的星球上找到任何生命迹象，但亨和他的团队在KELT-9b的光谱中找到了一些其他有趣的元素。亨说道：“我现在还不想透露太多，但我们已经找到了其他金属。我们也在努力让哈勃太空望远镜有时间去寻找水。我们目标是最终探明该星球具有的所有元素”。 哈勃还将能够提供有关KELT-9b天气的一些信息。 他说：“这个星球上应该会有暴风雨吧。”

（马克克）