天体物理学

系外行星的气候

对太阳系外行星大气的研究现在已经在天文学家的掌握范围之内。现在,我们可以估算某些系外行星表面的温度和风速。

亨利·亨 用于科学N 421
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近年来,天文学家发现了太阳系以外的许多行星。两年来,开普勒太空望远镜已经找到了2,000多名系外行星候选人,液态水可能存在于接近地球大小的地方。这些物体(在银河系中似乎很常见)在当前望远镜的“眼睛”中仍然很小,但是经过改进的技术可以研究它们的性质。如此之多,以至于无法绘制出大气层的温度和风向图就不再是科幻小说了。

哈勃望远镜,开普勒望远镜和斯皮策太空望远镜是对从地面上拍摄的夜空的无数次观测的补充,它观测宇宙时不受地球大气层的干扰。这些仪器通过记录位于边缘边缘可见的轨道中的物体经过其主恒星前方时的发光度下降来检测系外行星(所谓的过渡方法)。近年来,天文学家已经能够探测到由于行星在其恒星“次食”之后通过而导致的光度下降。换句话说,天文学技术已经取得了很大进步,以至于我们可以检测到恒星何时遮蔽了系外行星的光。

系外行星的光谱变得可访问

这种效果很弱,红外辐射最多为千分之几,可见光则更少。在次月食期间,系外行星的光只是恒星的光,这些数据可以计算出两颗恒星各自的贡献,特别是系外行星的光及其大气层。由于这种技术,天文学家首次检测了系外行星直接发出的光,该系外行星的最大光度通常位于红外区域。

通过测量不同波长下的月食和日食,可以构造出系外大气的光谱。某些波长被其成分吸收,光谱分析提供了大气的成分及其所含元素的丰度。

绘制系外行星的亮度

在某些情况下,天文学家成功记录了系外行星绕恒星旋转时光度的变化,这些变化构成了其“相位曲线”。由此,西北大学的尼克·科万和华盛顿大学的埃里克·阿戈尔开发了“亮度图”,该图描述了系外行星的亮度与经度的关系,但平均纬度。同一位研究人员的最新工作提供了有关系外行星光辉的信息 高清 维度均为189733b,即经度和纬度的函数。亮度与大气温度有关,这标志着系外行星气候图的出现!

天文学家不限于运输方法。他们还使用径向速度方法,该方法包括测量恒星围绕由恒星及其行星形成的系统质心的运动。两种技术的结合使探测系外行星并确定其半径和质量成为可能。使用这些方法最容易检测到的行星类别是热木星,它们是气体巨人,就像太阳系中的木星一样,但更接近恒星。它们的表面温度在1,000至3,000开氏温度之间。

它们与恒星的距离是如此之小,仅为天文单位的十分之一或更小(从地球到太阳的平均距离),以至于热木星的发现使天文学界感到惊讶。实际上,根据行星形成的理论,在如此短的距离内不应有足够的物质形成一个天然气巨人。热木星很可能形成得更远,并通过仍不太了解的机制在其恒星附近迁移。

热木星是研究太阳系外大气的特权实验室。它们的密度约为每立方厘米1克,表明它们的气体包膜主要由分子氢组成。这些可能是主要的大气层,反映了形成行星的原始星云的组成。

系外行星形成后的几百万年,恒星在行星上施加的潮汐力使恒星进入同步旋转状态,在该状态下,一个半球仍面向恒星,而另一个陷入了永恒的黑暗。一个更熟悉的例子是月球,它相对于地球处于同步旋转状态(忽略了称为解放的微小修正)。

一天无休止

这种不寻常的配置,其中一个半球是永久性的,而另一个是永久性的,因此可以探索太阳系中不存在的大气环流状态,并为理论家提供了机会来测试他们的工具。未知领域。

要了解这些温暖的木星大气,需要弄清楚恒星辐射,大气动力学和化学与可能的磁场之间的复杂相互作用。暖和的裙子在温暖,有光泽的一半与凉爽,黑暗的一半之间形成鲜明的对比。让我们记住的是,相位曲线给出了行星的光度,它是一个正弦函数。它在次蚀时达到最大值,在过渡时达到最小值。曲线最大值相对于其参考点(次食的中心瞬间)的任何偏移都可以解释为是由于存在水平的大气风,它们将热量从白天传送到夜晚。 (请参阅对页上的框)。这是首次测量系外行星的偏移 高清 加利福尼亚理工学院的希瑟·纳特森(Heather Knutson)及其同事的189733b:他们报告了旋转方向上的峰值偏移约为30度。还测量了热的Upsilon Andromedae b和 黄蜂-12b.

来自莱顿大学的Ignas Snellen团队使用了 vlt (非常大望远镜),在智利使用了吸收光谱技术来测量热木星上水平风的速度 高清 209458b。这些天文学家对一氧化碳吸收线很感兴趣,该吸收线由于大气的运动而受到多普勒效应的波长偏移。团队确定风在吹 高清 209458b的速度约为每秒两公里,比陆风快一百倍。

这些发现标志着系外气象学的到来。对这个新领域的兴趣开始扩展到相关领域:大气科学与气候学,地球物理学和行星学。来自不同背景的研究人员面临着不同的科学概念和实践,尤其是在现象建模方面。这在跨学科会议上尤其突出,因为在这些会议上我们很难理解各自的术语。像地球物理学家一样,大气和气候专家也使用丰富而可靠的数据库,因为它们存在于研究系统中。但是,观察结果是如此之好,以至于没有模型可以解释所有观察到的现象。有必要使用多个建模比例,每个比例将物理的某些关键方面隔离开来。

与地球动力不同

系外行星的研究基本上仅限于检查夜空中的点源。尽管我们知道如何获取有关这些点源的详细频谱和时间信息,但是获取空间信息仍然是一个挑战。太阳系中的行星学家很幸运,可以拍摄到火星表面或木星天气模式的快照。系外行星并非如此,天体物理学家必须使用有限的数据,而利用这些数据并建立模型存在许多限制。

有关地球和太阳系行星的知识是解决系外行星气候的宝贵指南,但不一定适用于其他行星。一个具体的例子是热木星的大气:某些特征长度(洋流或涡流的大小)小于太阳系中行星的半径,但与热木星的半径相当。这暗示着热木星的大气特性在全球范围内具有全球性。然后系外行星的大气层靠近恒星,然后表现出一种在太阳系中未知的环流状态。因此,模拟气流必须是全局的而不是局部的。

就太阳系而言,研究人员已经意识到,行星大气是复杂的实体,在不同的时间尺度上,它们会与化学,动态和辐射特征进行各种相互作用。新泽西州普林斯顿地球物理流体动力学实验室的艾萨克·赫尔德(Isaac Held)认为,要充分理解这些复杂系统,必须建立一种理论模型的层次结构。

这些模拟的范围从隔离关键物理元素的一维分析模型到用于气候和天气预报的完整三维一般环流模型,这些模型整合了许多现象以重建地球上大气层,大洲和海洋之间的相互作用。 。这些一般的循环模型同时求解了将大气视为流体以及热力学方程的一组方程,并考虑了各种因素,例如起伏和植被覆盖。在系外行星大气的理论分析中并未考虑这些参数中的许多参数,因此主要挑战之一是如何以及何时简化最初为地球设计的模型。

无论有意还是无意,天体物理学家都从这种方法中汲取了灵感,并建立了从一维到三维的理论模型层次结构。由于对热木星和褐矮星的处理(恒星与恒星相比质量太小,以至于无法让它们的核发展并维持核聚变)具有多个特征,因此许多为褐矮星开发的先驱模型已被转换为暖和的裙子。

第一个模型侧重于温暖的木星光谱,而更精细的处理则受到气候学和大气科学中使用的技术的启发。天体物理学家根据系外行星的光谱确定大气的化学成分以及与数据兼容的压力-温度曲线。例如,耶鲁大学的Nikku Madhusudhan及其同事研究了系外行星的光谱 黄蜂-12b。他们推断出高的碳/氧比,是恒星的两倍。新的研究表明,附近恒星的存在可能会改变光谱。结果仍有待确认。然而,系外行星的光谱研究至关重要,因为它可以推论它们的组成,甚至为系外行星的形成历史提供有价值的线索。

不久之后,天文学家注意到大气化学和动力学以非平凡的方式结合在一起,产生了我们观测到的温暖木星的特征。亚利桑那大学的亚当·Showman是最早利用综合循环模型研究温暖木星大气的天体物理学家之一。

防烫裙

我们是探索这条道路的研究人员之一。因此,我们将(外)行星的气候研究推广到了热木星。同步旋转的系外行星从昼夜半球到夜半球的热传递可以减少到二维问题。但是要正确考虑时间尺度和辐射干扰,必须进行三维分析,这需要使用一般的环流模型。我们通过各种技术解决了这些模型的方程,然后比较结果以确保方法之间的一致性。

现在,有几个团队已经成功地将一般环流模型改编为系外大气的建模,并获得了与观测结果相符的结果。一般的环流模型将与研究大小和温度类似地球的系外行星有关。

我们才刚刚开始了解温暖的木星的基本特性,例如为什么某些木星看起来比其他木星更膨胀,以及为什么有些木星似乎更有效地将热量从白天半球重新分配到夜间半球。如果是 高清 189733b和 高清 209458b中,使用常规循环模型计算出的光谱和相位曲线与观测值一致。只要下一代太空望远镜不投入使用,这些系外行星将仍然是系外大气的基准。它们已经说明了可以获取的大量信息。

例如,埃克塞特大学的FrédéricPont和David Sing及其同事研究了 高清 189733b,使用哈勃太空望远镜。根据他们的结果,系外行星的大气将表现出瑞利散射(从地面看,散射光的过程使地球的天空具有颜色)。

至于热木星 高清 209458b,它看起来比通过系外行星的演化计算所预测的要大,该系外行星在其形成后变凉。根据提出的解释射线膨胀的一种想法,部分电离的木星热大气层的行为就像巨型电路,在有磁场的情况下,遵循伦兹定律(系统从(以抵抗磁通量的变化)。然后,水平风会感应出电流和相反的力,从而将机械能消散为热量,而后者会使某些热木星膨胀。但是,仍有待证明,热木星会表现出磁场,就像地球和太阳系中的一些行星一样。

对热木星的研究很重要,因为我们有足够的数据来检验我们的假设和大气模型,这使我们能够在将理论工具应用于与海王星甚至地球相当的系外行星之前先磨练理论工具。 ,当前缺少或不存在数据。

对于许多研究人员而言,目标是探测绕着类似于太阳的恒星运行的地球型系外行星的光谱,在那里,有利于生命发展的条件得以维持。到目前为止,这样的任务仍然遥遥无期,甚至不应该在下一代太空望远镜的范围之内。

同时,对于诸如哈佛大学的戴维·夏邦诺和研究所的吉尔·塔特这样的天文学家 塞提,一种探测潜在可居住超地球(质量和半径比地球大的恒星型系外行星)的有前途的方法将包括在红矮星(或类型为恒星)周围跟踪它们 m)。

我们太阳的这些小表亲的质量要小两到十倍,约占我们银河系恒星人口的四分之三。仔细检查它们有几个优点。它们的温度低于太阳型恒星的温度,这意味着即使距离恒星更近10到100倍,它们的系外行星也可能在其表面保留液态水。恒星的接近有助于通过目前可用的天文技术,即过境法和径向速度法,对这些行星进行探测。

但是要付出代价:行星有望以同步旋转的方式运转,并具有半球存在的半球,那里总是昼夜不停,就像它们的炽热木星相对。因此,理论家担心,由于夜间和寒冷一侧分子的凝结,它们的气氛会消失。

从实验的角度来看,下一步是建造专门设计用于长时间,高分辨率测量系外行星光谱的太空望远镜。一些项目正在研究中,例如 ec ho (系外行星表征天文台)和 技巧 (快速红外系外行星光谱调查浏览器),分别提供给欧洲和美国的太空机构。如果这样的任务得以实现,它们将在十年或两年内为我们提供数百种系外行星的大量光谱和时间信息,从中我们可以更好地了解它们的大气。

温度循环

因此,我们将能够辨别对应于周期性现象的温度变化。这项研究是针对地球大气进行的,涵盖的时间范围从不到一天(每日变化)到几千年(Milankovitch周期,对应于地球轨道的变化,这些变化会改变地球的数量)。行星接收到的光)。考虑到要满足的许多限制,太空任务可能无法在几个月内建立功率谱。但是,无论如何,对于紧密围绕轨道运行的系外行星(如热木星或超地球)而言,这些光谱的有趣部分可能集中在较短的时间段内。无论哪种方式,这些测量将是了解系外行星气候的又一步。

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