揭开“炽热土星”及其斑点星的秘密

由蒙特利尔大学特罗蒂埃系外行星研究所(iREx)的研究人员领导的一个天文学家小组利用革命性的詹姆斯·韦伯太空韦伯望远镜(JWST)的力量研究了“炽热的土星”系外行星HAT-P-18 b

他们的发现发表在上个月的杂志上皇家天文学会月报，描绘了HAT-P-18 b大气的完整画面，同时探索了区分其大气信号与其恒星活动的巨大挑战。

HAT-P-18 b位于500光年之外，质量与土星相似，但大小接近较大的木星。

因此，这颗系外行星有一个“膨胀”的大气层，特别适合分析。

掠过一颗星星

来自JWST的观测是在HAT-P-18 b从其类太阳恒星前经过时进行的。

这一时刻被称为凌日，对于从数百光年外以惊人的精度探测和进一步描述系外行星至关重要。

天文学家没有观察到由遥远的行星直接发出的光。

相反，他们研究的是中心恒星的光是如何被围绕它运行的行星阻挡和影响的，因此必须努力将行星的存在引起的信号与恒星自身属性引起的信号区分开来。

就像我们的太阳一样，恒星也没有均匀的表面。它们可能有暗星点和亮区域，可以产生模拟行星大气属性的信号。

最近由UdeM博士生Olivia Lim领导的对系外行星TRAPPIST-1 b及其恒星TRAPPIST-1的研究见证了恒星表面的一次喷发或耀斑，这影响了观测。

在行星HAT-P-18 b的例子中，当这颗系外行星经过其恒星HAT-P-18的一个暗点时，韦伯正好捕捉到了它。这被称为点交叉事件，其影响在新研究收集的数据中显而易见。

iREx团队还报告说，在HAT-P-18的表面还存在许多其他没有被系外行星遮挡的恒星点。

为了准确确定系外行星的大气成分，研究人员必须同时模拟行星的大气及其恒星的特性。

他们在研究中指出，这种考虑对于未来通过韦伯望远镜进行系外行星观测以充分利用其潜力至关重要。

主要作者Marylou Fournier-Tondreau说:“我们发现，考虑恒星污染意味着存在斑点和云而不是霾，并恢复了几乎低一个数量级的水蒸气丰度。”

“因此，考虑系统的宿主恒星会产生很大的影响，”Fournier-Tondreau补充说，他在iREx做硕士研究生时就做了这项工作，现在正在牛津大学攻读博士学位。

“这实际上是我们第一次清楚地理清hazes与starspots的特征，这要归功于加拿大的NIRISS(近红外成像仪和无缝摄谱仪)仪器，该仪器提供了更宽的波长覆盖范围，可扩展到可见光领域。”

灼热大气中的H2O、二氧化碳和云

在对HAT-P-18系统中的系外行星和恒星进行建模后，iREx天文学家对HAT-P-18 b的大气成分进行了细致的解剖。

通过检查这颗系外行星穿过其主星时透过大气层的光线，研究人员发现了水蒸气(H2O)和二氧化碳(CO2)的存在。

研究人员还检测到钠的可能存在，并在HAT-P-18 b的大气中观察到了云平台的强烈迹象，这似乎抑制了其中发现的许多分子的信号。他们还得出结论，这颗恒星的表面被许多黑斑覆盖，这些黑斑会显著影响数据的解释。

约翰霍普金斯大学的一个研究小组对同一份JWST数据进行的早期分析也显示出明显的水和二氧化碳检测结果，但也报告说在高海拔地区检测到了被称为烟雾的小颗粒，并发现了甲烷(CH4)的迹象。iREx天文学家描绘了一幅不同的画面。

甲烷的检测没有得到证实，他们确定的水丰度比以前发现的低10倍。

他们还发现，先前研究中对hazes的检测可能是由恒星表面的恒星斑点引起的，这突出了在分析中考虑恒星的重要性。

这颗系外行星能支持生命吗?不太可能。虽然水、二氧化碳和甲烷等分子在一定比例下或与其他分子结合时可以被解释为生物特征或生命迹象，但HAT-P-18 b接近600摄氏度的灼热温度对这颗行星的宜居性来说不是好兆头。

另一台JWST仪器近红外光谱仪(NIRSpec)的未来观测有望帮助完善该团队的结果，例如二氧化碳检测，并进一步揭示这颗炽热的土星系外行星的复杂性。

来源:

Materials provided by University of Montreal. 注明: Content may be edited for style and length.

参考:

Marylou Fournier-Tondreau, Ryan J MacDonald, Michael Radica, David Lafreniére, Luis Welbanks, Caroline Piaulet, Louis-Philippe Coulombe, Romain Allart, Kim Morel, Étienne Artigau, Loíc Albert, Olivia Lim, René Doyon, Björn Benneke, Jason F Rowe, Antoine Darveau-Bernier, Nicolas B Cowan, Nikole K Lewis, Neil James Cook, Laura Flagg, Frédéric Genest, Stefan Pelletier, Doug Johnstone, Lisa Dang, Lisa Kaltenegger, Jake Taylor, Jake D Turner. Near-Infrared Transmission Spectroscopy of HAT-P-18 b with NIRISS: Disentangling Planetary and Stellar Features in the Era of JWST. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2023; DOI: 10.1093/mnras/stad3813