删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

Nature:热木星大气首次同时探测到六种分子

本站小编 Free考研考试/2022-01-02

热木星(hot Jupiter)是一种系外气体巨行星,质量与木星相当甚至超过木星,其与该星系恒星的距离非常近。此前观测发现,热木星的大气中经常存在水蒸气和一氧化碳。热木星HD 209458b是一颗围绕着飞马星座的恒星HD 209458运行的系外气态巨行星,轨道半径约为0.047个天文单位,相当于水星轨道半径的八分之一,它的质量是木星的0.69倍,体积是木星的2.5倍左右(图1),自转周期3.5天。HD 209458b是一颗被研究的相对比较充分的热木星(平衡温度大约1500 K),此前已经在其大气中发现了水蒸气(H2O)、一氧化碳(CO)和氰化氢(HCN)。

图1 木星(左图)与HD 209458b(右图)大小对比 (图片来源:Wikipedia)
  凌星光谱观测是探测系外行星大气的重要手段。当系外行星围绕其母星运行至朝向地球的一面时,称为凌星现象。在凌星期间,恒星的光先穿过行星大气再传播到地球。其间,行星的大气成分会对恒星的光进行吸收,从而在特定的波长处留下吸收特征,形成吸收线,通过这些特定波长处的吸收特征就可以识别行星大气的化学成分。
  GIANO-B是在西班牙拉帕尔马(La Palma)的3.58米伽利略国家望远镜上安装的高分辨率近红外光谱仪,2017年10月开始向学界提供科学观测数据。GIANO-B单次曝光能够获得近红外0.9-2.45μm光谱范围内的高分辨率光谱,光谱分辨率R =50000,如此宽的波段范围和高光谱分辨率对探测多种分子类型非常关键,因为不同分子的不透明度随波长变化很大。Giacobbe et al. (2021)利用GIANO-B光谱仪对热木星HD 209458b进行了4次凌星观测(2018年7月7日, 2018年8月29日,2019年8月27日和2019年9月3日),通过对这4次凌星观测的光谱数据的细致分析,首次在热木星HD 209458b大气中同时探测到六种分子:H2O, HCN, C2H2, CO, NH3和 CH4
  地面望远镜观测到的凌星事件的光谱中,除了系外行星大气的吸收产生的吸收线之外,还叠加了恒星光球的吸收线和地球大气吸收线。在整个凌星观测过程中,由于系外行星的运动会使得其大气的吸收线信号有多普勒频移(HD 209458b在凌始时的多普勒速度~-16 km/s,凌终的多普勒速度~16 km/s),而恒星光球和地球大气吸收线是接近静止的,因此可以通过主成分分析方法有效地过滤掉光球吸收线和地球吸收线,从而只保留下系外行星大气的吸收线信号。但系外行星的信号相对于噪声来说太弱(信噪比<<1),无法直接识别出来。幸运的是GIANO-B的谱段中包含了几千条强的分子线,因此可以通过合并它们的信号来尝试探测行星信号。意大利图灵天文台Paolo Giacobbe博士根据GIANO-B每个夜晚的观测,对每一个分子、每一级谱段、每次曝光把观测到的热木星光谱与凌星模型光谱做互相关。用来做互相关的光谱(如图2彩色部分)通常是选择包含行星光谱中最强谱线的波段,并且受地球大气吸收影响比较小。凌星模型光谱是基于GENESIS模型在假设等温大气和热木星的七种主要化学成分(H2O, HCN, C2H2, CO, NH3, CO2和CH4)等体积混合比的条件下计算出来的凌星光谱与GIANO-B仪器轮廓卷积之后的光谱。之后把不同级光谱的互相关函数叠加,但此时仍旧探测不到有效信号,作者又进一步将同一次或多次凌星观测的所有光谱的互相关函数叠加(在叠加前所有光谱都需要校正到恒星的静止坐标系,以消除热木星运动引起的吸收线位置变化),才得以从中分辨出HD 209458b行星大气的信号。为了计算探测到的信号的显著水平,作者对所有分子种类的两组互相关值——行星静止坐标系中小于3 km/s的互相关值(探测到的信号)和大于25 km/s(背景噪声)的互相关值——的分布做T检验。零假设是两个样本具有相同的均值,检验在一定的显著性水平上拒绝了该假设,该水平即检测信号的显著性(如图3所示)。H2O和HCN的信号较强,具有最好的检测显著性,可以分别在四次凌星观测中探测到;其他四种分子(C2H2, CO, NH3, CH4)的信号相对较弱,只有当多次凌星观测叠加时,才能被明确地检测到,检测显著性总是随着叠加凌星观测次数的增加而增加。

图2 地球光谱和H2O, HCN, NH3, C2H2, CO, CH4的理论透射光谱(Giacobbe et al., 2021)。彩色区域标示用来做互相关的光谱,灰色区域标示由于光谱校准和/或波长校准程序失败而被排除

图3 HD 209458b大气分子探测的显著性(Giacobbe et al., 2021)
  Giacobbe et al. (2021) 基于对HD 209458b的四次凌星观测,首次同时探测到其大气中的六种分子:水(H2O),一氧化碳(CO),氰化氢(HCN),甲烷(CH4),氨(NH3)和乙炔(C2H2),均具有较高的检测显著性。在此之前还从未在一颗系外行星上同时探测到如此多的分子,这为我们更精细地约束系外行星化学成分提供了可能性。
  基于所探测到的六种化学成分的约束,通过对热平衡和非热平衡、有无气溶胶、不同金属丰度和不同碳氧比相互组合的不同大气模型的测试,发现HD 209458b大气是热化学平衡的、含有气溶胶、金属丰度约为太阳的0.1-10倍、碳氧比接近或大于1(高于太阳值,0.55)。根据现有基于大气化学的行星形成和迁移模型,表明HD 209458b形成于远离其目前位置的地方,并随后向内迁移。根据这一结果,其他热木星也可能存在的更丰富的化学成分,这将对热木星具有类太阳和富氧成分的假说受到挑战。
  主要参考文献
  Giacobbe P, Brogi M, Gandhi S, et al. Five carbon-and nitrogen-bearing species in a hot giant planet’s atmosphere[J]. Nature, 2021, 592(7853): 205-208.(原文链接
  (撰稿:林红磊闫丽梅,范开,赵勇/地星室)
相关话题/光谱 大气 观测 信号 地球

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • NG:地球自转速率与大氧化事件的潜在联系
    地球自转的变化主要分为自转轴瞬时位置(也称为极移)和速率的变化,其中自转速率的变化通常使用日长(一天的时长,即白昼和黑夜总时长)来表示。由于地球自转变化的不规则性,没有一天是标准的24小时 (图1)。日长在不同的时间尺度下会表现不同的变化特征,由于日月引力引发的地球上的潮汐摩擦现象造成的地球自转速率 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • PNAS:早期地球CO2温室效应可解释“黯淡太阳悖论”和低海水18O/16O比值
    摘要:如果太古宙时期海水氧同位素的组成与现在相近,那么根据古沉积物较低的18O/16O的比值(δ18O),可以推断当时海洋温度可达70℃,这与地球早期气候并不寒冷、有液态水存在相吻合。但是,由于新生太阳辐射强度较低(约为现在的70%),地球本应较现今地球寒冷得多、不应存在液态水(图1),这就是197 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • NG:沉积岩风化的二氧化碳释放对大气升温的正反馈
    沉积岩在近地表分布广泛,约占大陆面积的64%,储碳量丰富。沉积岩的化学风化导致封存在岩石圈中的碳活化,从而改变短时间尺度上的全球碳循环模式,对全球气候变化产生重要影响。传统观点认为岩石的化学风化提供了重要的气候负反馈控制机制:钙硅酸盐(岩)的化学风化作用通过碳酸盐沉积()产生负反馈作用使大气CO2浓 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • NG:汇聚板块边缘的地球构造活动对生物圈-地圈反馈机制的影响
    汇聚板块边缘是两个相互汇聚和消亡板块间的边界,包括一系列重大地质过程:大洋板块俯冲到大陆板块之下,俯冲板块在不同深度发生变质脱水和部分熔融,所产生的流/熔体交代上覆地幔楔导致壳幔相互作用,地幔楔部分熔融引起弧岩浆作用形成弧型新生地壳,新生地壳部分熔融和分异结晶产生陆壳等,因而是连接地球深部圈层与表生 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • PNAS:利用密集地震阵列观测冰下水文系统及其动力学
    冰川表面产生的融水大部分通过冰川裂隙和冰川竖井流向冰川底部,进而经冰下排水系统(简称“冰下水系”)流向冰川末端。在这个系统中,水压调节冰-岩界面的耦合,决定冰川的滑移速度。因此,水压对冰川和冰盖的稳定性及其对海平面上升的贡献有重大影响。冰下水压与融水在冰川下的流动路径有着复杂的关系,主要取决于水是流 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • Nature:从锂同位素来看地球历史上碳和硅循环演化
    在我们生活的地球上,太阳亮度、大气氧浓度和地壳化学演化都发生了很大的变化,但是在过去 35 亿年大部分时期地球表面一直保持着气候温和(Jaffrés et al., 2007)。气候的稳定使地球能够在数十亿年期间维系宜居性和复杂生命的增殖。通过调节大气的CO2水平,地球耦合的碳和硅循环内的反馈使这种 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • NG:早期火星的多期变暖、氧化和地球化学转变的耦合模式
    类地行星的大气成分和演化主要分原始大气和次生大气。原始大气来自行星形成过程中吸积的宇宙物质,以氢气(H2)和氦气(He)为主。早期太阳的太阳风和太阳超紫外辐射都很强,类地行星的原始大气很快就被太阳风剥蚀逃逸掉了。原始大气逃逸掉后,类地行星的地质和火山等排气活动产生了次生大气。次生大气的成分主要由行星 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • PNAS:沉积物中的岩相碳限定元古宙大气氧含量
    在地质历史时期,地球上的生命演化和大气氧含量密切相关。例如,需氧生物出现在能够制造氧气的蓝藻(又名蓝细菌)之后,对氧气的需求程度也和它们的身体大小成正比。低氧环境只适合真核微生物生存,而不适合哺乳动物。这样看来,大气中的氧含量既限制、又促进了需氧生物的演化和发展(Knoll, 2003)。要想完全了 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • PNAS:金伯利岩揭示早期地球分异的残留地幔储存在核幔边界的LLSVPs
    地幔是地球上体积占比最大的圈层,记录了地球的形成、分异和演化过程的重要信息。前人通过对大洋玄武岩(包括大洋中脊玄武岩MORB和洋岛玄武岩OIB)的研究提出存在不同的地幔储库,包括亏损地幔(DMM),富集I型地幔(EM-I)、富集II型地幔(EM-II)、高238U/204Pb地幔(HIMU)等(Zi ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02
  • NG:地震各向异性观测揭示冰岛大洋地壳流
    洋中脊作为离散型边界,是大洋的扩张中心和新洋壳的产生地带。当今洋壳占约三分之二的地球表面积,因此理解洋中脊处洋壳的增生和变形过程是认识板块构造和地球演化的关键。海洋地震学探测是获取相关信息的重要途径。但与大陆板块边界地区相比,洋中脊地区往往为深水覆盖,布设地震仪器的成本更高、难度更大,难以保障观测数 ...
    本站小编 Free考研考试 2022-01-02