距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”

Original 季江徽科学大院 2020-08-20

在我们太阳系内，绝大多数铁元素存在于地球或木星等行星的内核，然而最新的科学发现表明，在宇宙的其他地方可不一定是这样，比如：系外巨行星的大气中可能下起“铁雨”。

图片来源：ESO/ M. Kornmesser

WASP-76b：永恒夜幕下的铁雨

2019年，由欧洲多国天文学家组成的研究团队利用欧洲南方天文台甚大望远镜(Very Large Telescope，VLT)的ESPRESSO(the Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations)高精度光谱仪观测到，距离地球630光年的系外行星WASP-76b大气中有铁原子，发现铁原子会在该行星的背阳面（nightside，夜面）大气中冷凝成“铁雨”[1]。

WASP-76b是一颗公转周期仅有1.8天的超高温气态巨行星，这颗行星呈现为潮汐锁定状态。这也就意味着它的公转周期与自转周期相同，从而导致行星的向阳面（dayside, 昼面）始终朝向恒星。这就好比从地球上看月球只能看到月球的正面，正是因为月球被地球潮汐锁定。在恒星强烈的辐射下，WASP-76b向阳面的大气温度高达2400°C，这颗行星的大气如此炽热（接近太阳表面温度(5500°C)的一半）足以使金属汽化。在这样的极端环境下，这颗行星大气特征和化学过程似乎颇为不寻常。

天文学家先前已观测到超短周期系外行星大气中的金属元素，也发现了行星昼夜面存在明显的温差[2-6]，但是在WASP-76b上首次观测到了铁原子在晨昏线上的不均匀分布。在凌星观测中，可以通过行星大气透射谱来解译其大气成分。考虑行星自转时的多普勒效应，WASP-76b东西两侧边缘靠近和远离观测者的速度体现为，大气透射谱中铁原子吸收特征关于凌星中心时刻对称分布的红移或蓝移(图1)。而在整个凌星过程中，铁原子吸收特征以蓝移为主，这表明铁原子几乎都分布在向阳面至背阳面的晨昏线上，意味着在这交界处拥有丰富铁蒸气。实际测量到的蓝移值大于行星自转产生的蓝移，故WASP-76b表面还存在一定速度的纬向风将铁原子自向阳面吹向背阳面。研究人员推测铁蒸气在背阳面凝结形成“铁雨”，然后从大气落回行星表面，因此没有发现铁蒸气的踪影。

从太阳系演化模型来说，我们所熟悉的太阳系行星中所含的重元素（例如铁）均来自太阳星云，目前绝大部分存在于类地行星（例如地球）或巨行星的内核。但是这颗系外行星的大气中居然也有大量铁元素，令人十分惊讶。

通过了解系外行星大气观测方法，我们或许可以端倪WASP-76b大气中铁元素的来源，这或许与其形成演化有关。

图1 a.WASP-76b凌星过程，b.铁原子吸收特征的示意图 [1]

不可能的任务：测量近千光年外行星的大气成分

天文学家通常利用直接成像法和凌星法来研究系外行星大气。

直接成像法[7]在可见光波段和红外波段的观测，可直接获得行星大气中各类分子谱线特征，如H₂O、O₂、O₃、CH₄、CO₂等甄别生命信息的重要成分，即为所谓的“化学指纹”。通过凌星法[7]探测并比较恒星在被行星遮掩前后的光谱变化，即可获得行星大气的化学成分。

比如当行星环绕恒星运行时，观测者可以记录行星与恒星共同亮度关于轨道相位的变化曲线(相曲线，如图2)。

图2 热木星 HD 189733b 的在 4.5 µm 波段的相曲线[8]

具体而言，当发生主凌时(Primary Eclipse / Transit)，行星在恒星前方，遮挡恒星光，很少部分的恒星光穿过行星外缘的大气。大气吸收越强，恒星亮度下降就越多，由此可得到的透射谱可用于研究晨昏线上的行星大气成分。当发生次凌时（Secondary Eclipse），行星处在恒星后方，若在近红外或中红外波段比较凌食前后行星与恒星累加亮度的变化，便可得到行星的热发射谱及行星昼面大气的温度分布 (图3)。哈勃空间望远镜提供了许多系外行星大气的主凌透射谱，而大部分的次凌热发射谱探测则来自 Spitzer空间望远镜。

图3 主凌(左), 观测到的是行星晨昏线上大气的透射恒星光。次凌(右)，观测到的是行星昼面大气吸收恒星光的再发射及反射的恒星光[9]

凌星法探测靠近宿主恒星的热木星和超级地球的行星大气，而直接成像法主要探测离恒星较远的年轻气态巨行星大气。

那么它们分别看到了什么样的大气呢？

热木星、“超级地球”及宜居行星的大气

热木星离宿主恒星近且其温度极高，更易进行大气观测。热木星吸收了大量恒星的可见光，在红外波段有大量的辐射，但在可见光波段非常暗，所以对热木星的大部分观测都是在红外波段。通常认为热木星大气成分与太阳系内的木星、土星大气类似，主要是由H、He构成的来自星云中的原始大气。热木星大气中还含有由O、C、N元素组成的H₂O、CO、CH₄等物质[10]，这些物质标记了热木星大气的主要特征谱线。除了介绍的WASP-76b大气中的铁原子，在HD 209458b, WASP-17b等热木星中还发现了Na和K等碱金属元素[11-12]。

由于热木星处于潮汐锁定状态，其昼面永远面向恒星。热木星的大气环流将大气所吸收的恒星辐射能量重新分布，若没有热木星大气的环流作用，则昼夜面温度差异会很大，且最热的区域会位于宿主恒星直射的星下点。热木星大气环流的原理类似于地球上的哈德利环流（Hadley Circulation）(图4)，由于行星表面受热不均匀，行星赤道附近获得更多热量，较热的气体团会往上、向两极方向运动, 遇冷后下沉再往赤道方向回流。

除了沿行星表面的环流，热木星可能还会产生纵向的大气逃逸。2018年，天文学家在热木星WASP-107b[14]的近红外波段大气透射谱中观测到了高层大气中He原子的强吸收特征，这表明该行星有一个延展大气，正以10¹⁰-3 ´ 10¹¹g·s^-1的速度逃逸，该过程有可能将其转化为海王星质量的超短周期行星。

图4哈德利环流[13]

超短周期行星(Ultra-short period planets, USPs)一般指公转周期小于1天的系外行星(图5)，这些行星处于潮汐锁定态。目前已发现并确认的4000余颗系外行星中约有100颗超短周期行星，例如55 Cnc e是第一颗被发现的超短周期行星[15]，周期约为17.5小时。目前已知的公转周期最短的行星KOI-1843.03公转一周仅需4.25小时[16]，这可真是度年如时！

图5系外行星族群轨道周期及质量分布

(Credit：http://exoplanet.eu)

与热木星不同的是，目前观测到的大部分超短周期行星属于“超级地球”，通常指质量在 1-10 M_⊕的岩石行星。因为“超级地球”的质量和半径比热木星小很多，因此观测和研究它们的大气极具挑战。由于距离宿主恒星极近，超短周期行星的大气相比其他“超级地球”更容易观测。迥异于气态巨行星保持的原始大气，岩石行星大多为次生大气，而超级地球的大气形成和演化会与太阳系的“亲戚”产生极大差异。

宜居行星的大气更为天文学家和公众所关注，然而并不容易获得。天文学家将行星系统中适合生命存在的行星轨道范围称为“宜居带”。行星与宿主恒星相隔一段合适的距离，使其表面平均温度能够维持液态水稳定存在。同时，恒星辐射和活动性不能太强，如行星围绕一颗红矮星运转，而红矮星紫外辐射很强，会使得行星大气中的水分子、二氧化碳分子发生光致电离，也有可能剥离行星大气。一般可通过寻找行星大气光谱中的“化学指纹”（O₂、O₃、CO₂和CH₄等）来判断宜居行星是否适合生命存在。

目前天文学家已发现数十颗宜居带行星，这些天体基本上均分布在红矮星周围。例如，距离我们最近的恒星比邻星周围发现的宜居带类地行星“比邻星b”（ Proxima b）(图6)，它是一颗距离地球只有4.2光年的岩石行星，这颗行星同样可能存在液态水。近期研究表明CO2和N2等大气成分和100 ~ 5000毫巴大气压力的组合可以保护“比邻星b”大气免受强恒星耀斑活动的紫外辐射破坏[17]，维持其表面的宜居性。这或许意味着，系外行星大气可能具备与地球不同的条件，使地外生命可以应对高紫外线辐射的环境。

人类之所以要观测系外行星大气，终极目标是为了寻找宜居行星或地球2.0，相关的尝试也越来越多。

图6 比邻星系统与内太阳系对比

Credit: ESO / M. Kornmesser / G. Coleman

征途：寻找下一个家园

目前大部分已探测到的系外行星均由美国国家航空航天局（NASA）发射的Kepler望远镜发现。NASA新发射的TESS望远镜[18]计划在两年的任务期间发现约20,000颗系外行星，预计发现大约500颗R<2R_⊕的类地行星。未来，欧洲航天局(ESA)的PLATO任务[19]将探测类太阳恒星的宜居带内的类地行星，确定这些行星系统的宜居性。JWST、ARIEL等任务亦将对系外行星大气进行大量观测，以更高的分辨率和更大的波长覆盖研究行星大气中是否有水或其他生命存在特征，了解不同类型行星大气的特征和演化，揭示行星系统形成规律。

中国也在积极部署自己的系外行星空间探测项目。中国科学院“空间科学（二期）”战略性先导科技专项前瞻性布局了系外行星探测方向。“近邻宜居行星巡天计划”是其中正在推进的项目之一，计划通过发射一个1.2米口径的高精度天体测量空间望远镜，实现微角秒级星间距的测量精度，巡查太阳系近邻32光年外100个类太阳恒星（“一巡”），探测宜居带类地行星或超级地球（“二探”），普查近邻行星数目、真实质量和三维轨道等信息（“三察”），预期会发现数十颗宜居带行星和超级地球。

根据中国航天科技集团有限公司的发布，中国2030年前后将开展太阳系近邻宜居行星太空探索计划——“觅音计划”。该计划将通过发射空间飞行器，以直接成像的手段发现和证认太阳系外宜居行星并刻画其宜居性。

我国载人空间站上将搭载的高对比度系外行星成像仪，利用直接成像法来研究系外行星大气，提供系外生命的可能线索。

“我们的征途是星辰大海”，这些研究将最终回答「太阳系是否很特殊」或「我们在宇宙中是否唯一」等科学问题，并让人类更深刻地了解地球和太阳系的形成演化过程，以及充分地认识生命的本质和起源，进而更深刻地了解我们自身。

参考文献:

[1] Ehrenreich D, Lovis C, Allart R, et al. Nature, 2020, in press

[2] Fossati L, et al. ApJL, 2010, 14: L222

[3] Hoeijmakers H J, et al. Nature, 2018, 560: 453

[4] Hoeijmakers H J, et al. A&A, 2019, 627: A165

[5] Casasayas-Barris, N. et al. A&A 2019, 628: A9

[6] Arcangeli, J. et al. A&A, 2019, 625: A136

[7] Perryman M. The Exoplanet Handbook. Cambridge: Cambridge University Press, 2011: 9-180

[8] Knutson H A, Lewis N, Fortney J J, et al. ApJ, 2012, 754: 22