天文學家首次在系外行星大氣中檢測到羥基分子特徵

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由天體生物學中心和貝爾法斯特女王大學、都柏林聖三一大學等機構的研究人員組成的一個國際天文學家團隊稱,在一顆系外行星的大氣中檢測到了一種新的化學特徵。羥基分子是在系外行星WASP-33b的陽面發現的。這顆行星是一顆所謂的 "超熱木星",是一顆圍繞其主星運行的氣態巨行星,比水星圍繞太陽運行的距離要近得多,因此其大氣溫度超過2500°C(熱到足以融化大多數金屬)。

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首席研究員Stevanus Nugroho博士說:「這是太陽系以外的行星大氣中的羥基分子的第一個直接證據。它不僅表明天文學家可以在系外行星大氣中檢測到這種分子,而且還表明他們可以開始了解這種行星群的詳細化學成分。」

在地球的大氣層中,羥基主要由水蒸氣與原子氧的反應產生。它是一種所謂的「大氣洗滌劑」,在地球的大氣層中發揮著至關重要的作用,可以凈化對生命有危害的污染氣體(如甲烷、一氧化碳)。

在像WASP-33b這樣更熱更大的行星中,天文學家之前已經探測到了鐵和鈦氧化物氣體的跡象。羥基通過與水蒸氣和一氧化碳的相互作用,在決定大氣的化學成分方面發揮著關鍵作用。WASP-33b大氣層中的大部分羥基被認為是由極高的溫度導致的水蒸氣的破壞而產生的。

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這項研究的共同作者、貝爾法斯特女王大學的Ernst de Mooij博士解釋說:"在我們的數據中,我們只看到一個來自水蒸氣的試探性的微弱信號,這將支持水在這種極端環境中被破壞以形成羥基的觀點。

為了做出這一發現,研究小組使用了位於夏威夷莫納克亞山頂地區(海拔約4200米)的直徑8.2米的斯巴魯望遠鏡的紅外多普勒(IRD)儀器。這個新儀器可以通過原子和分子的 "光譜指紋 "來探測它們,這是一套獨特的暗吸收特徵,疊加在由恆星和行星發出的彩虹色(或光譜)上。

當行星繞著它的主星運行時,它相對於地球的速度會隨著時間而變化。就像救護車的警報聲或賽車引擎的轟鳴聲在從我們身邊飛馳而過時改變音調一樣,這些光譜指紋的光的頻率(例如顏色)也隨著行星的速度而改變。這使我們能夠將行星的信號從其明亮的主星中分離出來,儘管現代望遠鏡遠沒有強大到足以直接拍攝這種「熱木星」系外行星的圖像。

都柏林聖三一大學的副教授、這項工作的共同作者Neale Gibson博士說:「太陽系外行星的科學相對較新,現代天文學的一個關鍵目標是詳細探索這些行星的大氣層,最終尋找『類地』系外行星–像我們自己的行星。每發現一個新的大氣物種,都會進一步提高我們對系外行星的理解,以及研究其大氣所需的技術,並使我們更接近這一目標。」

通過利用IRD的獨特能力,天文學家能夠探測到行星大氣中羥基的微小信號。「IRD是在紅外線下研究系外行星大氣的最佳儀器,」IRD的主要研究者之一、天體生物學中心主任、這項工作的共同作者Motohide Tamura教授補充說。

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「這些用於表徵系外行星大氣層的技術仍然只適用於非常熱的行星,但我們希望進一步開發儀器和技術,使我們能夠將這些方法應用於較冷的行星,並最終應用於第二個地球,」東京大學的副教授、這項工作的共同作者Hajime Kawahara博士說。

來自貝爾法斯特女王大學的Chris Watson教授是這項研究的共同作者,他繼續說道。「雖然WASP-33b可能是一顆巨行星,但這些觀測是下一代設施,如三十米望遠鏡和歐洲極大望遠鏡在尋找較小的和潛在的岩石世界的生物特徵方面的測試平台,這可能為人類最古老的問題之一提供提示:『我們是孤獨的嗎?』」

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