系外行星上存在云跟雨吗?

除了太阳系以外,天文学家目前正在积极寻找太阳系外的行星,透过光谱分析,或是如克卜勒望远镜透过光度变化来发掘系外行星,目前找到的多半是「热木星」──具有大于木星质量的气体行星,却和母恆星位置相当接近,甚至和水星金星相比轨道更内侧。而天文学家也成功利用其「凌日」现象,来一窥他们大气可能的组成,其中有些星球被推测可能存在相态变化,成云降水(当然不是H2O『水』)。

一、HD 189733b

HD 189733b是距离地球约63光年的热木星,其质量略大于木星,是在2005年利用凌日法所发现,并且以都卜勒光学观测法验证其存在。凌日法是观测恆星光度变化,如果该恆星的盘面刚好在我们观测的方向,那幺其行星就会产生类似凌日的现象,让光度在短时间内减小后又恢复,可依此来推算其轨道週期、质量等。都卜勒光学观测法则是利用恆星也会绕着系统共同质心有相对移动,以阶梯光栅高解析地去分析恆星光谱,来釐清其运动週期,推测行星存在及轨道。

系外行星上存在云跟雨吗?

图一、HD189733b想像图

2008年,天文学家成功的利用偏振测量法,测定HD189733b上的可见光颜色。该行星在蓝光下的反照率较红光高,因此在肉眼下应呈现蓝色(如图一),这可能是因为雷利散射(Rayleigh Scattering)所致。在2013年英国牛津大学的天文物理学家Tom Evans利用哈伯望远镜观测HD189733b及其绕到其母恆星背后时的资料,解析出其颜色。因此HD189733b成为首颗以两种不同方式测定其颜色的系外行星。

依散射模型,由于其轨道比水星轨道更接近其恆星(约1/6的距离),科学家推测其表面温度飙破摄氏千度,可来到1340~1540K。也由于过度接近恆星,该行星的气体流失率更高达每秒1000到10万公吨,这个流失率主要是藉由2010年3月的一次凌日事件所测得。而在另一次的X-ray观测中更发现其大气层比原先估计的要厚三倍,因为在X-ray下降的光度比可见光大许多,科学家因而推测其拥有浓厚的大气,而大气中可能含有粒径约10−2到10−1 μm 的硅酸镁(MgSiO3)。 2007年由乔凡娜‧蒂内蒂的团队利用史匹哲望远镜观测,以及随后的哈伯望远镜观测,均显示该行星大气中有水汽存在的证据,也可能有中性氧和有机化合物甲烷;之后更以特大望远镜(Very Large Telescope)观测到一氧化碳的存在。这些间接证据显示HD189733b有可能有相态变化的情况,相信未来天文学家会尝试各种不同方法,解答HD189733b是否真的有成云致雨的现象。

二、OGLE-TR-56b

OGLE-TR-56b是在2002年利用凌日法所发现距离我们非常遥远的一颗行星,并在2003年的另一次都卜勒径向速度观测被证实存在,距离地球约1500 persec。persec (pc)是一个AU的距离对应一个角秒的改变,这种测量方法在天文学上非常实用,因此测量天体常用pc、kpc或Mpc来表示,1pc=3.26光年;这也有助于我们了解其系统大小,由于三角对应关係,距离我们1500pc的天体,其一角秒的角度正好对应1500AU的距离。

系外行星上存在云跟雨吗?

图二、 OGLE-TR56径向速度因为OGLE-TR-56b的存在而有週期

有趣的是OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiments)原本主要任务是寻找宇宙中的暗物质,想藉由重力透镜现象(microlensing)寻找看不见的棕矮星(棕矮星是比木星质量更大,但小于太阳质量,无法点燃氢融合反应的星体,但是仍有氘的融合反应),因为其重力场能让背景恆星的光度因而短暂上升;此计画在监控许多恆星光度时,同时发现许多系外行星的候选人,如同OGLE-TR-56b,并且在后续的观测计画中被证实。OGLE-TR-56b比多数被发现的系外行星距离地球更远,距离是通常观测到的20倍远,也是首颗被发现在我们周遭猎户座旋臂(Orion spiral arm)以外的系外行星,该行星位在半人马座旋臂(Sagittarius arm)。

科学家估计OGLE-TR-56b表面温度可以高达摄氏1800度,密度大概和土星相似。更令人感兴趣的是,OGLE-TR-56b的上层大气温度推估正好可以让云生成,但是生成的云可不是由水蒸气或甲烷等我们太阳系内就能观测到的现象,而是由铁或三氧化二铝所构成!在2003年就有天文学家观测到棕矮星上有铁元素所造成的成云降水的相关证据。OGLE-TR-56b这颗距离极近母恆星的行星,被认为很有可能拥有这种独特的『天气现象』,其中又以铁所造成的云层被认为最有可能,因此在2003史密松天文台Sasselov的文章中,推估这颗行星可能有相对较低的反照率。

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参考资料