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          2. 在地球上烹制異星大氣

            [ 錄入者:Melipal | 時間:2019-05-02 22:02:58 | 作者:Melipal 譯 | 來源:NASA | 瀏覽:864次 ]

            原文標題:Cooking up Alien Atmospheres on Earth

            作者:Calla Cofield   原文來自:NASA   Posted: 2019. 3. 15

            編譯:Melipal   審校:Linq

            來自加州帕薩迪那(Pasadena)NASA噴氣推進實驗室的研究者正在地球上烹制一顆系外行星的大氣。在一項新研究中,JPL的科學家使用一臺高溫“烤爐”將氫和一氧化碳氣體的混合物加熱到超過2000華氏度(1100攝氏度),這一溫度大約與熔融的巖漿相當。這樣操作的目標是模擬某類特殊的系外行星(太陽系以外的行星)——“熱木星”大氣中可能存在的條件。

            這張藝術概念圖展示了一顆“熱木星”KELT-9b的形象。熱木星是軌道距離主星極近的氣體巨行星。KELT-9b是熱木星的一個極端案例,其晝半球溫度高達7800華氏度(4300攝氏度)。大圖與說明文字請點擊(圖片提供:NASA/JPL-Caltech)

            熱木星是軌道極其靠近主星的氣體巨行星,在太陽系中并不存在此類天體。地球環繞太陽運動一周需要365天,而熱木星的軌道周期還不到10天。它們距離主星極近,這就意味著其上的溫度可以達到1000到5000華氏度(530到2800攝氏度)甚至更高。作為比較,在水星(環繞太陽一周需時88天)上炎熱的日子里,地表溫度可以達到800華氏度(430攝氏度)。

            來自JPL的首席科學家墨希·古迪帕蒂(Murthy Gudipati)說:“雖然在實驗室中不可能精確模擬出條件嚴酷的系外行星環境,我們還是可以取得非常接近實際的結果。”古迪帕蒂是進行這項新研究的小組領導者,研究結果發表在《天體物理學報》雜志2月號上。

            小組從一種簡單的化學混合物入手,這種混合物主要由氫組成,含有0.3%的一氧化碳氣體。這些分子在宇宙以及早期太陽系中都非常普遍,它們也是熱木星大氣的合理組分。隨后小組將混合氣體加熱到620到2240華氏度(330到1230攝氏度)。

            來自JPL的科學家使用圖片中央的“烤爐”將氫氣和一氧化碳的混合物加熱,并讓氣體暴露在由放電氫燈發出的紫外輻射中。氫燈可以釋放可見光(圖中的粉色輝光)以及紫外輻射,輻射經由烤爐右側的窗口進入內部的氣體容器中。(圖片提供:NASA/JPL-Caltech)

            小組還將實驗室產物暴露在了大劑量的紫外光中——這與在極近的距離上環繞主星運行的熱木星經歷的情況相近。紫外光被證明是一種有效的成分,它在很大程度上是該研究最讓人吃驚的結果背后的罪魁,而這些結果說明了如此熾熱的大氣中可能發生的化學過程。

            用行星的標準來看,熱木星非常龐大,而且較低溫行星發出的輻射更強。這些因素讓天文學家可以搜集較其他類型的系外行星更多的大氣信息。這些觀測揭示出,許多熱木星的大氣在高緯度地區并不透明。雖然云層可能能夠用于解釋這種不透明度,不過隨著氣壓的降低,云層越來越難以維持,而我們觀測到的不透明度卻出現在低氣壓的區域。

            科學家一直以來在搜尋云層之外的其他可能解釋,而氣溶膠(懸浮在大氣中的固態顆粒)或許就是一種可能性。然而JPL的研究者稱,先前科學家并不清楚氣溶膠在熱木星大氣中可能的形成途徑。在新的實驗中,讓熾熱的化學混合物暴露在紫外光下就實現了這一點。

            研究論文的第一作者、來自JPL的研究科學家本杰明·弗洛里(Benjamin Fleury)說:“這些結果改變了我們解釋多霾熱木星大氣的方式。更進一步,我們希望能夠研究氣溶膠的性質。我們希望能夠更好地了解它們的形成、它們對光線的吸收形式,以及它們對環境變化的響應情況。這些信息可以幫助天文學家了解觀測這些行星時所見的情況。”

            右圖中小小的藍寶石盤展示了形成于高溫烤爐內部的有機氣溶膠。左圖中的盤子未被用于研究。(圖片提供:NASA/JPL-Caltech)

            這項研究帶來了另一個意外:化學反應產生了大量的二氧化碳和水分。雖然人們曾經在熱木星大氣中找到過水蒸汽,但科學家主要認為,這種寶貴的分子只會在氧氣多于碳元素的情況下才能形成。新的研究證明,水分可以在氧氣與碳同樣多的時候出現。(一氧化碳分子含有一個碳原子和一個氧原子。)而雖然一些二氧化碳(一個碳原子和兩個氧原子)毋須紫外線照射即可形成,當增加模擬星光后,形成二氧化碳的反應被加速了。

            研究論文合作者、JPL的系外行星科學家馬克·斯萬恩(Mark Swain)說:“對于解釋熱木星大氣所見情況來說,新的結果具有及時的實用性。我們曾經假設,溫度支配了此類天體大氣中的化學反應,但本研究證明,我們需要考察輻射扮演的角色。”

            憑借NASA預計于2021年發射的詹姆斯·韋布空間望遠鏡等新一代觀測設備,科學家可能能夠第一次描繪出系外行星詳盡的化學檔案,而這第一批考察目標可能就是熱木星。這些研究將幫助科學家了解其他行星系是如何形成的,以及它們與太陽系有多么相似(或不同)。

            對于JPL的研究者來說,這項工作只是個開始。與普通烤爐不同的是,他們的設備在研究期間將氣體牢牢地密封了起來,以避免泄漏或污染,這樣做也使得研究者能夠在溫度升高期間控制氣壓。憑借這一設備,現在他們可以在更高的溫度上(3000華氏度,1600攝氏度)模擬系外行星的大氣了。

            來自JPL的研究科學家、論文合作者布萊亞納·亨德森(Bryana Henderson)說:“由于大多數普通材料,如玻璃或鋁,在如此高的溫度上都會熔化,成功設計并運行這套系統是一個持續的挑戰。我們還在了解如何在推進極限的同時在實驗室中安全處置這樣的化學過程。不過在一天快要結束的時候,從這些實驗得出的激動人心的結果配得上所有額外的努力。”

            (全文完)

            Tags:熱木星 大氣

            責任編輯:Melipal

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