一个金属云 + 钛雨的世界:最亮的系外行星

宇宙科学 阅读:45 2024-06-09 17:02:52 评论:0

  究竟是岩质行星亮,还是气态行星更亮?无论是从视星等还是反照率(Bond albedo)来说,太阳系里最亮的当然要数地球的邻居 —— 金星。作为一颗行星,在我们的视野中,金星远比那些恒星还要亮,绝对算得上是“夜空中最亮的星”。虽然太阳系中最亮的行星是一颗岩质行星,但是太阳系外就不一定了。你能想象一个布满金属蒸汽云,周围下着“钛雨”的世界是什么样吗?

  “床前明月光,疑似地上霜”。我们知道,月光虽然叫月光,但这个光并不是月球本身发出的,而是反射的太阳光。同理,行星也是一样。虽然月亮看上去很亮,但很大原因是它距离我们太近,而不是它的反光能力有多强。月球的反照率其实非常低,只有 10% 左右。

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太阳系八大行星里反射能力最弱的,要数是和月球一样也是缺少大气层的水星,反照率还不到 9%。其他行星但凡有点大气层,反射能力都不算太差。像地球,它的反照率和那些气态行星差不多,都在 30% 左右。木星稍大一些,有 50%。但是反照率最高的还得说是金星,仰仗着浓厚的大气层以及独有的硫酸云,金星的反照率能够达到 76%!所以可以说,金星是除太阳和月亮外天上最亮的天体。

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  对于行星来说,要想成为“最靓的仔”,除了外表光鲜(反照率高)以外,还必须得和恒星走得足够近。比如说金星,它不仅在反照率上碾压所有竞争对手,同时它和太阳的关系也处得十分火热,距离太阳只有 0.72 个天文单位(地球到太阳的 3/4),仅次于水星。所以太阳系外最亮的行星,它肯定距离宿主恒星也很近。

  2019 年,天文学家在距离我们 264 光年的恒星 LTT 9779(TOI-193)旁边,发现了一颗罕见的行星 ——LTT 9779 b(TOI-193 b)。通过凌日法分析,这颗行星十分明亮,反照率达到了 80%,比金星还高。而且果不其然,它距离宿主恒星非常近,只有金星到太阳的 1/42(0.017 个天文单位)。离光源这么近,反射能力还这么强,可想而知它得有多亮。

  这颗行星是一颗 29 倍地球质量、4.6 倍地球半径的气态行星。鉴于这个个头和密度,它被划分为类海王星天体。该天体之所以说罕见,不是因为它的反照率高,也不是因为它是类海王星天体(已确认系外行星里 1/3 都是这种类海王星天体)。说它罕见是因为:作为一颗类海王星天体它距离宿主恒星太近了,根本不应该出现在这里!

  通常情况下,在恒星旁边“贴脸飞行”的行星,要么是个头巨大的气态巨行星(比如“热木星”),要么是和地球差不多大的岩质行星。因为如果你不是前者那样的“肉盾”,那么你必将在很短时间内(比如 1 亿年里)就被恒星“吃干扒净”,最终只剩下个小小的固态核心。

  尤其在面对年轻恒星时更是如此。比如这颗行星的宿主恒星(LTT 9779),它的个头和太阳差不多(80%),也是颗 G 型主序星。但是相较于太阳这个稳重的 46 亿岁的“中年大叔”来说,这颗恒星还只是个不到 20 亿岁的“年轻小伙”。当面对一颗辐射非常强的年轻恒星时,任何海王星大小的行星,想靠自身引力锁住外层大气几乎不太可能。它的氢和氦理应会被扒得一干二净,只剩下个裸露的岩质核心才对。

  直接看这幅行星半径与轨道周期关系图,它的纵坐标是行星半径(单位:地球半径),横坐标是轨道周期(单位:天)。可以看出,在十分接近恒星(轨道周期极短)的地方,那里基本都是些 1~2 倍地球半径的行星;当距离稍远一点,大个子的气态巨行星也可以稳定存在;而介于中间的类海王星天体,它们主要集中在更远的地方。在图中的三角区域内,很少发现类海王星天体,因此这个区域也被称为“海王星沙漠”。

  然而今天说的这颗行星(也就是图中那个五角星),它便是“海王星沙漠”中为数不多的典型个例。因为距离恒星非常近,它的公转轨道非常小,绕恒星一圈只需 0.8 天,也就是说它上面的“一年”仅有 19 个小时。

  离恒星这么近,这颗行星的表面温度一定低不了。没错,它的平衡温度将近 2000K,已经快赶上红矮星的表面温度了,所以它也被称为“超热海王星(Ultra-hot Neptune)”。那么问题来了:在如此极端的高温下,一个以氢氦为主的小个子气态行星,它是怎么保住自己的大气层的呢?

  有科学家猜测,这颗行星原本可能是颗木星大小的巨行星,后来它的大量物质被恒星剥离,于是只剩下了现在海王星大小的身躯。但是仅凭恒星风和高温烘烤(光蒸发),一个巨行星很难在短时间内流失这么多质量。所以这颗行星可能还经历了其他物质外流方式,比如洛希瓣溢出(Roche Lobe Overflow,RLO)。

  这里的洛希瓣溢出,主要指的就是当气态巨行星过于靠近恒星时(比如进入了恒星的洛希极限内),在恒星的潮汐力作用下,行星的外层气体膨胀到超出了行星自身的洛希瓣,从而导致行星物质大量流失的现象。

  如今这颗行星或许就是在恒星辐射导致的蒸发,以及潮汐力导致的洛希瓣溢出这两者的双重作用下,正在迈向巨行星向岩质行星转变的过程。只是这个过程为什么会这么慢,人们一直想不通。

  2023 年 10 月,一篇发表于《皇家天文学月报》上的文章中,研究人员通过 XMM-Newton 空间望远镜观察了这颗行星宿主恒星的 X 射线情况。他们发现,这颗恒星实际上比我们预想的要“温柔”得多。它不仅有着异常缓慢的自转,同时它释放出的 X 射线也远没有想象的那么强,强度只有“同龄人”的 1/15。好嘛,本以为是个精神小伙,没想到竟是个柔弱书生。微弱的恒星辐射或许就是这颗行星能够保持住大气的原因之一。

  那现在的问题是:作为一颗热海王星,它那 80% 的超高反照率该如何解释?太阳系里的气态行星,最多也只有木星那样 50% 的反照率。能具有这么高的反射能力,这颗行星一定有它的过人之处,它的大气层中说不定隐藏着什么秘密。

  好在该行星离我们不算太远(只有 264 光年),借助具有红外能力的空间望远镜,我们可以通过透射光谱来看看它的大气中到底有些什么。

  天文学家借助斯皮策、哈勃、韦伯这些望远镜,先后对这颗行星的大气进行了观测。果不其然,除了意料之中以氢氦为主的成分外,这里的大气具有异常高的金属含量,金属丰度是太阳的几百倍!通过仔细分析光谱后人们发现,这里大气中的云竟然是由硅酸盐组成的。

  (* 天文学上一般把除氢、氦以外的元素统称为金属元素)

  硅酸盐说白了就是石头、沙子、玻璃这种东西,像地球这样的岩质行星基本就是由硅酸盐构成的。根据具体成分不同,硅酸盐的沸点一般在两千多度(玻璃的话甚至只要一千多度)。考虑到这颗行星将近 2000 度的平衡温度,它上面有砂石的话还真能被蒸发。然而这还没完,除了这些硅酸盐外,科学家发现这些云中还含有金属钛。也就是说,这颗行星的表面竟然笼罩着一层“钛砂云”,难怪反射能力那么强,合着整个星球就是一面大镜子。

  我们可以想象下这里的环境:天上挂着一个硕大的火球,周围是一团团的金属蒸汽。当到了温度稍低的地方,这些厚重的金属云会凝结成“雨滴”落下。随后,这些液态金属再次被高温蒸发,如此反复。

  好了,总结一下:为什么这颗行星可以出现在海王星沙漠?

  1、虽然它距离恒星很近,但它的宿主恒星 X 射线非常弱,恒星风并不强烈;

  2、这颗行星大气的金属含量很高,这使得它的整个大气层变得非常沉重,很难被吹走;

  3、金属云层导致的高反照率可以抵挡大部分的恒星辐射,这也使得行星免于被过度烘烤。

  这些原因目前看起来还算合理,但是关于这颗超热海王星的谜团只能算是被初步解开。未来 JWST 可能还会对它进行更为详细的观测,希望届时能有更多的证据来帮助解开谜团。

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