类海王星系外行星可能多云也可能晴：新发现揭示了原因

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这项工作的样本覆盖了已知的凌日行星。六边形表明我们样本中的行星也在第二周期被JWST观测到，而三角形尚未被JWST观测计划或批准。选定的目标已被标记。学分:天体物理学杂志快报（2024年）。DOI: 10.3847/2041-8213/ad1b5c

（）据堪萨斯大学（布兰登·林奇）：对“系外行星”的研究是一个相当新的领域。系外行星是太阳系以外宇宙中所有行星的科幻名称。主要是，像堪萨斯大学ExoLab中的那些系外行星研究人员使用来自哈勃太空望远镜和韦伯太空望远镜等太空望远镜的数据。每当新闻标题提供“类地”行星或有潜力支持人类的行星的发现时，它们都在谈论我们银河系内的系外行星。

堪萨斯大学系外实验室的博士生乔纳森·布兰德刚刚在天体物理学杂志《快报》上发表了研究结果，显示了15颗类似海王星的系外行星的新大气细节。虽然没有一个可以支持人类，但更好地了解它们的行为可能有助于我们理解为什么我们没有一个小海王星，而大多数太阳系似乎都有一个这样的行星。

布兰德说:“在过去的几年里，我在昆士兰大学的重点是通过一种称为透射光谱学的技术来研究系外行星的大气层。”“当行星凌日时，意味着它在我们的视线和它所围绕的恒星之间移动，来自恒星的光穿过行星的大气层，被存在的各种气体吸收。通过捕捉恒星的光谱——让光通过一种叫做摄谱仪的仪器，类似于让光通过棱镜——我们观察到了彩虹，测量了不同成分颜色的亮度。光谱中不同的亮度或暗度区域揭示了行星大气中吸收光的气体。

利用这种方法，几年前布兰德发表了一篇关于“温暖的海王星”系外行星TOI-674 b的论文，他在论文中提出了表明其大气中存在水蒸气的观察结果。这些观察是布兰德的顾问伊恩·克罗斯菲尔德（Ian Crossfield）领导的一个更广泛项目的一部分，该项目旨在观察海王星大小的系外行星的大气。

布兰德说:“鉴于银河系中比地球略大、比海王星小的行星最为常见，我们希望理解这些行星的行为。”

这篇最近的论文总结了该项目的观测结果，结合了额外观测的数据，以解决为什么一些行星看起来多云而另一些则晴朗的问题。

布兰德说:“我们的目标是探索这些行星独特外观背后的物理解释。”

布兰德和他的合著者特别注意到系外行星往往在大气层高处形成云或雾霭的区域。当这种大气气溶胶存在时，KU的研究人员表示，雾霾会阻止光线透过大气。

布兰德说:“如果一颗行星的表面正上方有一朵云，上面有数百公里的晴空，星光可以很容易地穿过晴空，只被那部分大气中的特定气体吸收。”“然而，如果云的位置非常高，云在整个电磁频谱中通常是不透明的。虽然雾状云具有光谱特征，但在我们的工作中，我们利用哈勃聚焦于相对较窄的范围，它们也产生了大部分平坦的光谱。

根据布兰德的说法，当这些气溶胶出现在大气层高处时，没有清晰的路径让光透过。

“有了哈勃望远镜，我们最敏感的单一气体是水蒸气，”他说。“如果我们在一颗行星的大气层中观察到水蒸气，这很好地表明没有足够高的云层来阻挡水蒸气的吸收。相反，如果没有观察到水蒸气，只看到一个平坦的光谱，尽管知道行星应该有一个扩展的大气层，这表明在更高的高度可能存在云或雾霾。”

布兰德领导了一个国际天文学家小组在这篇论文上的工作，包括KU的克罗斯菲尔德和德国海德堡马克斯·普朗克研究所的合作者，劳拉·克莱德伯格领导的一个队列，以及卡罗琳·莫利领导的德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员。

布兰德和他的合著者采用了不同于以往的分析方法，他们专注于确定小海王星大气的物理参数。相比之下，以前的分析通常涉及将单个模型光谱与观测值进行拟合。

布兰德说:“通常情况下，研究人员会采用一个预先计算好含水量的大气模型，对其进行缩放和转换，以匹配他们样本中观察到的行星。”“这种方法可以显示光谱是清晰还是多云，但无法提供大气中水蒸气含量或云层位置的信息。”

相反，布兰德采用了一种被称为“大气回收”的技术。

“这涉及到跨各种行星参数（如水蒸气量和云位置）的大气建模，通过成百上千次模拟迭代来找到最佳配置，”他说。

“我们的检索为我们提供了每个行星的最佳拟合模型光谱，从中我们可以计算出行星的多云或晴朗程度。然后，我们将这些测量的清晰度与卡罗琳·莫利的另一套模型进行了比较，这让我们看到我们的结果与类似行星的预期一致。在检查云和霾的行为时，我们的模型表明云比霾更适合。

“反映云致密性的沉积效率参数表明，观测到的行星的沉积效率相对较低，从而导致了蓬松的云。这些云由水滴等颗粒组成，由于沉降趋势较低，它们仍然漂浮在大气中。”

布兰德的发现为这些行星大气的行为提供了见解，当他在美国天文学会最近的一次会议上提出这些发现时，引起了“极大的兴趣”。

其他发现

此外，布兰德是由克罗斯菲尔德领导的一个国际观测项目的一部分，该项目刚刚宣布了在GJ 9827d上发现的水蒸气。该行星位于双鱼座，与距离地球97光年的金星一样热。

哈勃太空望远镜的观测显示，这颗行星可能只是银河系中富含水的行星之一。蒙特利尔大学特罗蒂埃系外行星研究所的皮埃尔-亚历克西斯·罗伊领导的团队宣布了这一消息。

布兰德说:“我们在亚海王星型行星的大气层中寻找水蒸气。”“皮埃尔-亚历克西斯的论文是这项主要工作的最新成果，因为它花费了大约10或11次环绕或凌日行星的时间来进行水蒸气探测。皮埃尔-亚历克西斯的光谱作为我们的趋势数据点之一进入了我们的论文，我们包括了他们提案中的所有行星和文献中研究的其他行星，使我们的结果更加强大。在两篇论文的过程中，我们都与他们进行了密切沟通，以确保我们使用了正确的更新结果，并准确反映了他们的发现。”