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科學家在系外行星蛋糕混合物中發現了一種令人驚訝的成分——二氧化硫

科學


科學家在系外行星蛋糕混合物中發現了一種令人驚訝的成分——二氧化硫


一位藝術家對GJ 3470b在其恒星前的印象，周圍是從大氣層中剝離的氫云 。（圖片來源：NASA/ESA/D.Player（STScI））
據美國太空網（Keith Cooper）：一顆“熱海王星”系外行星被發現其大氣層中含有二氧化硫，當該行星每隔三天半在陡峭傾斜的軌道上繞恒星兩極運行時，大氣層也會噴涌而出 。
當詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）發現這顆距離地球96光年的系外行星GJ 3470b時，它的大氣層中二氧化硫的存在令人震驚 。
威斯康星大學麥迪遜分校的sThomas Beatty在一份聲明中說：“我們沒想到會在這么小的行星上看到二氧化硫，在一個我們沒想到的地方看到這種新分子是令人興奮的 ， 因為它為我們提供了一種新的方法來了解這些行星是如何形成的 ?！?。“小行星尤其有趣，因為它們的成分實際上取決于行星形成過程的發生方式 ?！?br>GJ 3470b的一切告訴我們，它有著引人入勝和多事的歷史 。
行星形成于氣體和塵埃的圓盤中，圍繞與恒星旋轉軸對齊的平面旋轉 。在我們的太陽系中 ， 我們可以看到這個圓盤的證據，從水星到海王星的所有行星都在黃道平面上運行 。另一方面，GJ 3470b沿著一條相對于其冷紅矮星的旋轉軸傾斜89度的路徑運行 。換句話說，它處于一個陡峭的軌道上 ， 在恒星的兩極上空盤旋 。行星通常不會在這樣的軌道上形成 。
GJ 3470b的質量是地球質量的13.9倍，直徑約為木星的40%，是一個膨脹的氣袋 。當這些行星靠近它們的恒星時，天文學家稱它們為“熱海王星” 。GJ 3470b的大氣溫度為325攝氏度（617華氏度）；海王星在太陽系中的溫度為-200攝氏度（-330華氏度） 。
目前的行星形成模型描述了氣態巨星通常是如何在距離恒星更遠的地方形成的，而不是巖石行星 ， 在氣體更豐富的寒冷深處 。然而，GJ 3470b的軌道距離其恒星只有530萬公里（330萬英里） 。相比之下，水星是離太陽最近的行星，其軌道距離我們的恒星平均為5800萬公里（3600萬英里），盡管與我們的太陽系相比 ， 紅矮星系統通常會縮小規模 。
通常，我們預計GJ 3470b會在更遠的地方形成 ， 然后由于與恒星的行星形成盤的相互作用而向內遷移 。與此同時，科學家們通常會懷疑 ， 世界會因與另一顆行星的引力相互作用而被擠出軌道平面，甚至可能是由一顆近距離掠過的恒星引起的劇變 。
然而，地球的大氣混合表明情況并非如此 。
盡管JWST探測到了其中的分子，如二氧化硫，GJ 3470b的大氣層仍然絕大多數是由氫和氦組成的，甚至比我們太陽系中的氣體行星還要多——哈勃太空望遠鏡在2019年發現了這一事實 。因此 ， 提出的解釋是，GJ 3470b實際上是在其恒星附近形成的，是一顆巖石行星，然后形成了幾乎純氫和氦的厚大氣層——但目前，這只是一個假設 。這就是為什么JWST對二氧化硫的檢測如此重要，因為它的存在有助于區分行星形成的不同理論 。
由于GJ 3470b凌日，天文學家可以進行所謂的“透射光譜”，二氧化硫的探測才得以曝光 。當它的母恒星發出的光穿過GJ 3470 b的大氣層時，世界大氣層中的分子吸收了一些星光，在恒星的光譜中留下了暗吸收線 。
然而，要弄清楚這些吸收線是很困難的，尤其是對于可能被毫無特色的薄霧覆蓋的炎熱海王星來說 。
Beatty說：“問題是 ， 每個人都在觀察這些行星，通常每個人都會看到平坦的線條 。” ?！暗斘覀冇^察這個星球時，我們真的沒有得到一條平坦的線 ?！?br>相反，JWST能夠確認二氧化碳、甲烷和水蒸氣的吸收線，并首次檢測到該地區的二氧化硫 。這實際上使GJ 3470b成為迄今為止已知的大氣層中含有二氧化硫的最輕、最冷的系外行星 。先前的探測與溫度超過1000攝氏度（1830華氏度）的高溫木星的大氣層有關 。
Beatty說：“在GJ 3470b這樣小的行星中發現二氧化硫，為我們提供了行星形成成分表上更重要的一項 ?！?。
研究小組認為，硫最初可能是硫化氫中的一種成分 。然而 ， 由于GJ 3470b的軌道離其恒星如此之近，來自恒星本體的紫外線具有足夠強大的沖擊力，可以輕易地將大氣分子分解 ， 從而導致一種由破碎的分子成分與其他原子和分子重新結合形成的化學攪亂 。一個硫原子與兩個氧原子結合形成二氧化硫 。
然而，這顆行星的母恒星不僅僅分解大氣分子；從這些分子中釋放出來的氫可以完全從行星上剝離出來 。GJ 3470b因此在我們眼前蒸發，恒星風逐漸將其大氣層吹向太空，留下一股氫氣流 。據估計，這顆行星已經失去了其原始質量的40% 。
Beatty表示，大氣層中二氧化硫的存在、無法解釋的傾斜軌道以及GJ 3470b正在永遠急劇變化的質量損失 ， 都是這顆奇怪而奇妙的行星起源的重要線索 。
他說：“這些都是創造這顆特殊行星的配方中的重要步驟，可以幫助我們了解像它這樣的行星是如何形成的 ?！?。
Beatty在6月10日舉行的美國天文學會第244次會議上公布了這一結果 ， 并已被《天體物理雜志快報》接受發表 。