哈勃發現首顆晴空萬里的系外海王星

06-10

原文標題：NASA Telescopes Find Clear Skies and Water Vapor on Exo-Neptune原文作者：Jonathan Fraine，Drake Deming，Georgia Bladon；Whitney Clavin，Nikku Madhusudhan；Ray Villard來自：哈勃官網；發表時間：2014.9.24;翻譯：gohomeman1 審校：數星星的貓（編譯版權所有，未經許可請勿轉載）2014.9.24：離地球120光年外的一顆系外行星，天文學家對它的天氣預報是晴空並含有水汽。在海王星大小的氣體行星上發現晴空是個好消息，意味著更小的系外類地行星也可能擁有良好的能見度；這使得地球上的天文學家能夠測量一顆系外行星在大氣下的化學組成。藉助哈勃太空望遠鏡（HST）、開普勒（Kepler）空間望遠鏡，以及斯皮策（Spizter）紅外空間望遠鏡，科學家已經確定這顆編號為HAT-P-11b的系外行星，其大氣中含有水蒸氣。因為它離母恆星極近，環繞一周只需要5天，所以其表面溫度超過600℃，明確地水汽氤氳。

HAT-P-11b凌星示意圖，光譜就在凌星時獲取。大圖：590KB，版權：NASA，ESA；研究者團隊，下同。

藉助美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的三大空間望遠鏡——哈勃太空望遠鏡（HST）、開普勒（Kepler）空間望遠鏡、以及斯皮策（Spizter）紅外空間望遠鏡，天文學家發現一個系外行星的天氣情況是含有水汽的晴空。它大小類似於海王星（根據研究報告，約為4.4倍地球半徑，譯註），是已知的探測到各種化學分子組成的最小系外行星。美國華盛頓NASA科學任務理事會副主任、宇航員格倫菲爾德（John Grunsfeld，哈勃維修任務的主要執行者之一，譯註）解釋道：「在我們通向分析類地岩質行星大氣組成的道路上，本發現是一塊重要的里程碑。只有當今的我們能協同這些獨特而強大的觀測手段，才能獲得如此的科學成就。」行星的大氣中的雲層能阻隔了觀測，使得我們不能知道大氣下行星本身的物質組成和歷史。在海王星類系外行星中發現晴朗的大氣是個好消息，意味著更小的（類地）行星也可能有良好的能見度。

海王星類系外行星天空的模擬對比圖。此前發現的為左圖，烏雲密布；本次確認的HAT-P-11b，朗朗乾坤。大圖：9.1MB。

報告首席作者、馬里蘭州立大學帕克（Park，公園）分校的兩Jonathan Fraine 繼續解說：「天文學家在夜晚觀測時，晴空就意味著好運氣。而這次我們在遙遠的行星上發現了晴空，同樣的幸運，因為雲層會阻擋我們觀測水分子的視線。」（研究系外行星的重要一點就是要找到關乎生命的水，譯註）研究報告刊登在2014.9.24的《自然》在線版上。HAT-P-11b（HAT是一個自動巡星系統的縮寫，譯註）位於天鵝座，離我們約120光年，屬於海王星類系外行星。但與我們太陽系的海王星不同，它的軌道非常靠近母恆星，公轉一周大約僅需5天。因此，它應該是個溫暖的世界，有著岩質核心和大氣層。迄今為止，這類行星的大部分屬性，包括行星組成等，都是未知的。對這類行星進行大氣分析，部分挑戰來自其大小。較大的類木行星因其巨大的身量和膨脹的大氣而容易看到；事實上，研究者已經能在這些行星中探測到水汽。較小的行星本身就很難探測，而且更麻煩的是，此前所有的該類研究對象都發現有雲層。

HAT-P-11b的光譜的一部分。黑色是實際數據；黃線表示無雲的晴空模擬，藍線表示純水汽，綠色是最佳擬合（黃+藍組合）。

本次天文學家打算著手的HAT-P-11b，此前並不清楚其大氣是否有雲。他們動用了哈勃的第三代廣域相機（WFC3），採用凌星觀測技術研究其光譜。當行星從恆星前方通過時，部分星光先通過行星的大氣再進入望遠鏡的透鏡。假如行星的大氣中存在水，就會吸收特定波長的光，從而在光譜中出現特徵吸收線。通過這種方法，哈勃就能探知HAT-P-11b大氣的含水量。該觀測也表明該行星沒有雲，從而有希望在未來發現更多無雲的系外行星。不過在研究團隊能夠額手相慶之前，他們首先要證明，水信號確實來自行星大氣，而不是恆星光球上的冷區域——黑子。母恆星的黑子區域也可能含有水蒸氣，從而干擾我們的研究。因此團隊還需求助於開普勒和斯皮策望遠鏡。開普勒望遠鏡經年累月地觀測同一塊天區（它的科學任務就是這樣的，譯註），而HAT-P-11恰好就在該觀測區中。這些光學觀測數據與斯皮策的紅外數據相比較，天文學家測算出母恆星的黑子溫度還是太高，水蒸氣H2O分子無法存在（破壞為原子和離子）。團隊至此才能放心地慶賀在一個與我們太陽系明顯迥異的外星世界中發現了水汽的存在。報告合作者、帕薩迪納市加州理工學院的希瑟·克努森（Heather Knutson）繼續解說：「我們猜想系外海王星類行星可能擁有不同的化學組成，相應反映了它們的形成歷史。現在有了這些觀測數據，我們能夠拼湊出那些遙遠世界的起源故事。」

哈勃第三代廣域相機拍攝的HAT-P-11，它是一顆K4V型的橙矮星。左上的小點是遙遠恆星，不是其行星。

天文學家計劃在未來檢測更多的海王星類系外行星，並希望能把同樣的方法擴展到更小的超級地球類——相當於10倍地球量級的大質量岩質行星。我們太陽系沒有這種行星，但開普勒任務陸續發現了多個此類行星。預定在2018年發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）了，將尋找超級地球類的水和其他分子的信號。不過嘛，要發現含有海洋的宜居世界，還有很長的路要走。Knutson總結說：「就未來對超級地球及更小的（類地）系外行星的研究而言，我們當前的工作很是重要——因為我們能預先選出大氣通透的行星，讓下一步的化學分子探測可行。」天文學家們再次十指交叉，祈禱藍天。