恒星吹走了巨大的系外行星的大气层，留下了巨大的尾巴

熊明青

一位艺术家描绘了一颗炽热的木星喷出大气层，形成一条巨大的气体尾巴(图片来源:美国国家航空航天局/CXC/M .维斯)

（）据美国太空网（罗伯特·李）：一颗距离地球950光年的行星正在爆炸性地失去它的大气层，并在这个过程中产生了一个大约18倍木星大小的尾巴。这使得气体尾巴成为太阳系外最大的行星结构之一。

被称为HAT-P-32 b的太阳系外行星，质量约为木星的68%，但宽度是太阳系最大行星的两倍。HAT-P-32距离其母恒星仅320万英里，约为地球和太阳距离的3%，每2.2天完成一次轨道运行。这种接近意味着这颗气体巨星受到其母星辐射的烘烤，从而将HAT-P-32 b归类为“热木星”行星。

天文学家用地球上的望远镜监测了HAT-P-32 b的尾部气体尾巴，这种尾巴是由从大气层流出的氦气形成的，包括奥斯汀麦克唐纳天文台德克萨斯大学的Hobby-Eberly望远镜。“我们用长时间序列光谱技术监测了这颗行星和主星，在几个晚上对恒星和行星进行了观察，”研究的主要作者，加州大学圣克鲁兹分校天文和天体物理学系博士后研究员张在一份声明中说。“我们发现有一个巨大的氦气尾与这颗行星相关联。这条尾巴很大——大约是行星半径的53倍——是由从行星中逸出的气体形成的。”

通过更多地了解这颗炽热的木星是如何失去大气层的，一组研究人员希望构建一幅更好的行星演化图。这可能有助于解决系外行星目录中缺乏特定行星类型的困惑。

利用热木星调查“热海王星沙漠”

自从20世纪90年代首次发现太阳系外的第一颗行星以来，系外行星猎人已经发现了超过5000个围绕遥远恒星运行的世界，它们的形状、质量和特征各不相同。然而，在我们的系外行星目录中仍然存在一个令人困惑的空白。

天文学家已经发现了大量的木星大小的行星围绕着它们的恒星运行，虽然数量较少，但仍有相当数量的地球大小的小行星靠近它们的恒星母体。

然而，似乎缺少的是靠近其母恒星运行的中等大小的行星。天文学家将这样的行星称为“热海王星”，以类似大小的太阳系冰巨人命名，因此，这些世界的消失被称为“热海王星沙漠”。

对这种缺失的一种可能的解释是，靠近恒星的行星正在被剥夺大气层，因此正在失去质量。



HAT-P-32 b及其气态尾的模拟。(图片鸣谢:张等，Sci。Adv. 9，eadf8736 (2023)。)

“如果我们能够捕捉到正在失去大气层的行星，那么我们就可以研究行星失去质量的速度以及导致其大气层逃离行星的机制，”张解释说。“有一些例子可以看是很好的，比如HAT-P-32 b的实际操作过程。”

该团队研究了HAT-P-32 b，它是在2011年发现的，通过观察来自其母星的光，母星与太阳大小相同，比我们的恒星略热。当炽热的木星从恒星前面经过时，星光会被行星的大气层过滤掉。

因为化学元素吸收特定频率的光，天文学家可以比较穿过大气层的星光和没有穿过大气层的星光，帮助他们确定行星大气层的化学成分。寻找这些吸收间隙被称为“透射光谱学”

对HAT-P-32 b进行透射光谱分析显示，当该行星穿过恒星时，星光中有很深的氦吸收线。

“氦的吸收比我们预期的恒星大气中的强。这种过量的氦吸收应该是由行星的大气造成的，”张说。“当行星凌日时，它的大气层如此巨大，以至于它阻挡了吸收氦线的部分大气层，这导致了这种过量吸收。这就是我们如何发现HAT-P-32 b是一颗有趣的行星。”

但是，为了更好地理解它，他们使用德克萨斯高级计算中心(TACC)的Stampede2超级计算机创建了这颗热木星的3D模拟。对这颗行星的计算机模拟显示，它甚至比这些观察所显示的还要有趣。

由哈佛-史密森天体物理中心理论和计算研究所研究员摩根·麦克劳德及其同事开发的计算机模拟模拟了行星气体流出和母星恒星风之间的相互作用。

这表明行星外流在它的轨道路径上既跟随又领先HAT-P-32 b。

研究小组还计算了这颗行星的质量损失率，发现HAT-P-32 b需要400亿年才能完全失去大气层。然而，这个星球不太可能存活这么久；像这颗行星的宿主星HAT-P-32 A这样的f型恒星只有20到40亿年的寿命，之后它们会耗尽核心用于核聚变的氢。

这导致恒星的核心坍塌，核聚变仍在进行的外层膨胀。这使得恒星的半径增加了100倍，导致了红巨星的产生。当HAT-P-32 A经历这一过程时，系外行星距离它如此之近，以至于它和它剩余的大气层都有可能被吞没。

在未来，该团队打算研究类似HAT-P-32 b的其他行星，以观察它们的演化。此外，超级计算机模型背后的研究人员现在将开发其他复杂的系外行星动力学模拟。

这可以提供模拟，可以模拟其他影响，如行星大气中气体的混合，甚至风如何在距离地球数百甚至数千光年的行星大气中运动，这些影响对于当前的望远镜来说太远了。

“现在是时候用超级计算机的计算能力来实现这一点了，”张总结道。“我们需要计算机根据理论的最新进展做出真正的预测，并解释数据。超级计算机在模型和数据之间架起了桥梁。”

该团队的研究发表在《科学进展》杂志上。