模拟实验推断热木星表面高温存在阴阳脸

2020-03-20 作者:科学研究   |   浏览(194)

模拟实验推断热木星表面高温存在阴阳脸

太空望远镜开普勒“退休” 斯皮策将接任

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近日,有媒体报道,自从开普勒太空望远镜被确认无法修复后,美国航空航天局的科学家们正在研究如何将10年前服役的“古董”——斯皮策太空望远镜改造成系外行星探测器,以接替“开普勒”的岗位,继续对系外行星进行搜寻,力求在下一个10年内发现位于可居住带上的岩质行星。

热木星近距离环绕主恒星,表面温度可达到1315摄氏度,并处于潮汐锁定状态,这意味着行星一侧总是朝向主恒星,而另一侧笼罩在永久黑暗之中。

斯皮策太空望远镜究竟为何物,美国航空航天局为何对它青睐有加,用“斯皮策”接替“开普勒”需不需要进行改造,存在哪些困难?带着这些问题,记者采访了相关专家。

腾讯太空讯 据英国每日邮报报道,热木星行星的“暗面”很可能笼罩在云层中,硫化锰或者硅酸盐降落至行星表面。目前,美国宇航局研究人员结合开普勒太空望远镜和计算机模型技术,最新研究指出炽热系外行星的云层聚集位置,这样的行星距离地球太远,很难进行直接观测。

—— 老当益壮 ——

计算机模拟结果显示,炽热系外行星云层分布特征和成分与温度有关,温度较低的热木星区域比更极端条件的区域拥有差异性较大的云层。热木星行星近距离环绕主恒星,温度高达1315摄氏度,并且处于潮汐锁定状态,这意味着该行星一侧总是朝向主恒星,而另一侧始终笼罩在黑暗之中。

探测太阳系外行星“斯皮策”不是门外汉

研究表明,热木星行星“光面”几乎没有云层覆盖,而“暗面”笼罩着厚厚的云层,在光面和暗面交界处,天空很可能是“晴间多云”。尽管现已勘测的系外行星距离较远,但是它们的极端气候条件很容易进行模拟。

“‘斯皮策’可不是‘老古董’,它是当今可以与哈勃太空望远镜媲美的探测宇宙奥秘的四大天王之一。”听到有人称“斯皮策”是“老古董”,北京大学天文系教授吴鑫基赶紧纠正说。

该研究负责人、美国亚利桑那大学博士后研究员薇薇安-帕芒蒂埃(Vivien Parmentier)说:“炽热行星的云层结构与太阳系行星相差较大,事实上热木星行星比木星更容易模拟。”在研究过程中,研究人员使用全球环流模型建立了理想化热木星行星。之后与开普勒探测器观测的真实热木星行星的光线数据进行对比,关注“相位曲线”的变化。

吴鑫基进一步解释道,这探测宇宙奥秘的“四大天王”分别是哈勃太空望远镜(可见光、紫外和近红外)、康普顿γ射线天文台、钱德拉X射线天文台和斯皮策红外太空望远镜,它们彼此的观测波段不同,具有各自的优势。对探测太阳系外行星来说,“斯皮策”不是门外汉,而是已经做出很大贡献的“行家里手”。

通过将计算机模型与真实数据进行匹配,研究人员发现一些相位曲线是由热量所导致的,而其它的相位曲线则是由云层反射光线形成,这将便于研究人员首次推断出全球云层类型。同时,他们也注意到基于光线曲线标记的风力和温度变化。这些变化仅发生于热木星掠过主恒星之前,暗示着“热点”位于东侧。对于温度较低的行星,这些变化仅出现在行星的西侧。

2003年,美国航空航天局将斯皮策太空望远镜发射升空。望远镜总重865千克,镜身长4.45米,直径约2米,主镜是一个直径85厘米的透镜,在其上面配有3台观测仪器,分别是红外阵列照相机、红外摄谱仪和多波段成像光度计。

研究人员指出,热行星强大的风力推动温度较高、没有云层的大气层过渡至行星东侧;对于温度较低的行星区域,云层将在温度较低的行星西侧聚集,反射更多的光线。

“这是人类送入太空的最大的红外望远镜。”吴鑫基说,所谓红外,说的是望远镜能够探测到目标发出的红外辐射。“斯皮策”的红外探测灵敏度极高,波长在3微米至180微米之间的红外辐射都能尽收“眼”底。而这个波段因其范围内的辐射抵达地面时会被地球大气层阻挡,一向是地面望远镜的“盲区”。因此,“斯皮策”能探测到宇宙中那些难以感知到的天体,比如一些暗淡的小型恒星。与光学天文观测设备相比,“斯皮策”的红外之眼能够穿透尘埃、气体,看到其背后隐藏的无限奥秘。

jin2055金沙网站,帕芒蒂埃博士称,我们认为行星西侧光面的云层比行星东侧更多,依据整体温度的差异,云层是由不同矿物质构成。在热木星低温半球,云层主要是由硫化锰构成,而硅酸盐云层存在于热木星高温半球。

“斯皮策”成功的秘密在于它的设计。它可以把望远镜的照相机和摄谱仪都维持在-272℃的低温,这样一来这些电子探测器在红外波段就可以达到它们的最大灵敏度。为此,“斯皮策”上的仪器都被安放在了一个装有液氦冷却剂的容器之上。同时“斯皮策”所采用的新技术也将其与会干扰观测的外界热源隔绝开来。

在这种情况下,当出现雨季硅酸盐将从可观测大气层中消失。这项研究结果与之前斯皮策太空望远镜的观测相符,之前斯皮策望远镜观测发现热木星的不同区域存在温度差异。

例如,“斯皮策”装在一侧的太阳能电池板和绝热罩总是对准太阳,保证望远镜时刻都在阴影之中。“斯皮策”尾随地球的轨道也使得它与地球散发出的热量保持了一定的距离。而望远镜的物理设计也利用了空间环境天然的制冷作用。由此“斯皮策”每天只需要使用28克液氦就能维持仪器所需的工作温度。

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“它当时设计的最短寿命为2.5年,目标寿命在5年以上。如今服役已经超过10年,依然在工作中。”吴鑫基说。

—— 雀屏中选 ——

只因与“开普勒”观测波段基本相同

有人说,既然同为四大天王,为什么偏偏选中“斯皮策”,而不用名气更大的哈勃太空望远镜接替“开普勒”呢?

“‘斯皮策’和‘开普勒’的观测波段基本相同,这是其他太空望远镜无法与之比拟的。”吴鑫基一语中的。

光学望远镜在探索太阳系外行星方面的努力是从可见光波段开始,逐渐向红外波段发展,红外波段在观测发现太阳系外行星方面具有天然的优势。“而‘哈勃’仅能在近红外波段进行观测,尽管它已发现不少重要的系外行星,但总体能力远不及‘开普勒’,不可能替代‘开普勒’。”吴鑫基说。

尤其值得一提的是,“斯皮策”上天10年,可谓硕果累累。尤其是前5年,在超低温条件下工作,成绩更是辉煌。

2009年8月,天文学家利用“斯皮策”发现一颗围绕年轻恒星运行的行星曾与另一颗较小行星在数千年前发生猛烈相撞的证据,如相撞过程中由蒸发的岩石和熔岩残余物形成的烟柱,以及行星上留下的很深的凹痕。

这一年,它还发现了首个“富碳”系外行星WASP-12b,这个行星的体积是木星的1.5倍,离母恒星很近,温度很高。其碳含量高于氧含量,而一般系外行星的碳含量只有氧的一半。

2010年3月,有研究人员利用斯皮策太空望远镜发现了两个最小的类星体,分别是J0005-0006类星体和J0303-0019类星体,距离地球130亿光年。

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