“哈勃”探测到发光水汽圈的外星球

伊丽莎白·兰德

系外热木星WASP-121b首度被天文学家证明其拥有同温层， 该发现发表在《自然》期刊上。热木星是太阳系外的气体巨行星，且通常非常接近它们的母恒星。科学家利用从美国航空航天局哈勃空间望远镜获取的数据研究了WASP-121b， 发现其质量是木星的1.2倍，半径约为木星的1.9倍，因而它的体积更为庞大。此外，WASP-121b围绕母恒星的运行轨道比水星的运行轨道更低，这使得它的公转周期仅为1.3天。要知道，木星绕太阳公转一周要12年。而且，因为WASP-121b距离它的母恒星非常近，该行星大气层的顶部温度可达2500℃，足以将一些金属煮沸。据估计，WASP-121b距地球约900光年，这在银河系的尺度上可以說很近。

研究作者之一、加利福尼亚硅谷的美国航空航天局艾姆斯研究中心的马克·马利说：“这个结果令人兴奋，因为它表明，不仅太阳系大多数行星的大气层中有一个温暖的同温层，在某些外行星的大气层中也存在同温层。现在，我们就可以将外行星大气层中的一些动态与不同环境下太阳系中行星大气层的同一动态进行比对了。”

早先的研究发现，在外行星WASP-33b和其他热木星上可能存在平流层。而在这项最新研究中，研究人员首次检测到了炽热的水分子，为此提供了最佳证据。

来自英国埃克塞特大学的第一作者兼研究员汤姆·伊万斯说：“理论模型表明，同温层能界定一类截然不同的超热行星，对揭示其大气物理和化学有着重要意义。我们的观测则证实了这一设想。”

为了研究WASP-121b的同温层，科学家利用哈勃空间望远镜的光谱学性能研究了大气中不同分子对特定光波的反应。例如，行星大气中的水蒸气对某些光波的反应是可以预测的，而且水温不同反应不同。

星光可以穿透行星的大气层，从而使大气层中的气体温度升高。之后，气体再以红外光的方式将热量辐射回太空中。然而，如果大气层顶部的水蒸气温度较低，水分子会使得红外光中的某些光波无法逃出太空。相反，如果大气层顶部的水分子温度较高，则会折射出同等波长的光。

研究报告作者之一、加利福尼亚州帕萨迪纳市美国航空航天局喷气推进实验室的蒂芙尼·卡塔里亚说：“光能从水中散发出来，这说明随着高度升高，气温也在升高。我们迫不及待地想用哈勃空间望远镜来观测探究这种现象在哪个经度上存在。”

这一现象的产生跟焰火的原理相似。焰火之所以能呈现出各种颜色，是因为有着可以散发出光的化学制品。当金属物质受热蒸发时，它们的电子进入高能量状态。电子在它们失去能量时会发出特定波长的光，材质不同发出的光不同。例如，在这个过程中，钠会发出橙黄色光，而锶发出红色光。同样，WASP-121b大气层中的水分子在它们失去能量时也会散发出辐射，但这一辐射是红外光的形式，肉眼无法直接观测到。

在地球的同温层中，臭氧气体吸收来自太阳的紫外线辐射，从而使该区域的大气层升温。太阳系的其他星体也有同温层，例如，甲烷使得木星和土星的卫星土卫六的大气层得以升温。

在太阳系行星中，同温层内部的温度通常在56℃左右。在WASP-121b上，同温层的温度则上升了560℃。到目前为止，科学家尚未得知是哪种物质导致了WASP-121b大气层中温度的升高。或许是氧化钒和氧化钛，它们是褐矮星中常见的物质。褐矮星也被叫作“失败的星体”，与外行星有些许共同之处。这些化合物本应只在最热的热木星上存在，因为只有在高温条件下，它们才能呈现气态。

研究论文的作者之一、马里兰州格林贝尔特市美国航空航天局戈达德太空飞行中心的汉娜· 苏克福德说：“这个超热的外行星将成为大气模型的基准，而且它将是我们进入Webb时代的一个巨大的观测目标。”