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「地球」距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”( 二 )


具体而言 ， 当发生主凌时(Primary Eclipse / Transit) ， 行星在恒星前方 ， 遮挡恒星光 ， 很少部分的恒星光穿过行星外缘的大气 。 大气吸收越强 ， 恒星亮度下降就越多 ， 由此可得到的透射谱可用于研究晨昏线上的行星大气成分 。 当发生次凌时（Secondary Eclipse） ， 行星处在恒星后方 ， 若在近红外或中红外波段比较凌食前后行星与恒星累加亮度的变化 ， 便可得到行星的热发射谱及行星昼面大气的温度分布 (图3) 。 哈勃空间望远镜提供了许多系外行星大气的主凌透射谱 ， 而大部分的次凌热发射谱探测则来自 Spitzer空间望远镜 。
「地球」距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”
本文插图

图3 主凌(左), 观测到的是行星晨昏线上大气的透射恒星光 。 次凌(右) ， 观测到的是行星昼面大气吸收恒星光的再发射及反射的恒星光[9]
凌星法探测靠近宿主恒星的热木星和超级地球的行星大气 ， 而直接成像法主要探测离恒星较远的年轻气态巨行星大气 。
那么它们分别看到了什么样的大气呢？
热木星、“超级地球”及宜居行星的大气
热木星离宿主恒星近且其温度极高 ， 更易进行大气观测 。 热木星吸收了大量恒星的可见光 ， 在红外波段有大量的辐射 ， 但在可见光波段非常暗 ， 所以对热木星的大部分观测都是在红外波段 。 通常认为热木星大气成分与太阳系内的木星、土星大气类似 ， 主要是由H、He构成的来自星云中的原始大气 。 热木星大气中还含有由O、C、N元素组成的H2O、CO、CH4等物质[10] ， 这些物质标记了热木星大气的主要特征谱线 。 除了介绍的WASP-76b大气中的铁原子 ， 在HD 209458b, WASP-17b等热木星中还发现了Na和K等碱金属元素[11-12] 。
由于热木星处于潮汐锁定状态 ， 其昼面永远面向恒星 。 热木星的大气环流将大气所吸收的恒星辐射能量重新分布 ， 若没有热木星大气的环流作用 ， 则昼夜面温度差异会很大 ， 且最热的区域会位于宿主恒星直射的星下点 。 热木星大气环流的原理类似于地球上的哈德利环流（Hadley Circulation）(图4) ， 由于行星表面受热不均匀 ， 行星赤道附近获得更多热量 ， 较热的气体团会往上、向两极方向运动, 遇冷后下沉再往赤道方向回流 。
除了沿行星表面的环流 ， 热木星可能还会产生纵向的大气逃逸 。 2018年 ， 天文学家在热木星WASP-107b[14]的近红外波段大气透射谱中观测到了高层大气中He原子的强吸收特征 ， 这表明该行星有一个延展大气 ， 正以1010-3 ′ 1011g·s-1的速度逃逸 ， 该过程有可能将其转化为海王星质量的超短周期行星 。
「地球」距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”
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图4哈德利环流[13]
超短周期行星(Ultra-short period planets, USPs)一般指公转周期小于1天的系外行星(图5) ， 这些行星处于潮汐锁定态 。 目前已发现并确认的4000余颗系外行星中约有100颗超短周期行星 ， 例如55 Cnc e是第一颗被发现的超短周期行星[15] ， 周期约为17.5小时 。 目前已知的公转周期最短的行星KOI-1843.03公转一周仅需4.25小时[16] ， 这可真是度年如时！
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本文插图

图5系外行星族群轨道周期及质量分布
(Credit：http://exoplanet.eu)
与热木星不同的是 ， 目前观测到的大部分超短周期行星属于“超级地球” ， 通常指质量在 1-10 M⊕的岩石行星 。 因为“超级地球”的质量和半径比热木星小很多 ， 因此观测和研究它们的大气极具挑战 。 由于距离宿主恒星极近 ， 超短周期行星的大气相比其他“超级地球”更容易观测 。 迥异于气态巨行星保持的原始大气 ， 岩石行星大多为次生大气 ， 而超级地球的大气形成和演化会与太阳系的“亲戚”产生极大差异 。


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