来自美国,加拿大以及英国布里斯托尔大学和牛津大学的一组天文学家现在提出了一个模型,该模型可以预测从蓝宝石到烟雾弥漫的甲烷霾,在提议的多种类型的云中,哪种会在热木星上期望高达数千度的开氏温度

出乎意料的是,预期在较大温度范围内的最常见的云类型应由硅和氧的液态或固态液滴组成,例如熔融石英或熔融砂。在温度低于950开尔文(675摄氏度)的凉爽热木星上,天空主要是碳氢化合物的雾度,基本上是烟雾。

该模型将帮助天文学家研究这些陌生而遥远世界的大气中的气体,因为云干扰了大气成分的测量。它还可以帮助行星科学家了解我们太阳系中较凉的巨型行星及其卫星的大气,例如木星和土星的卫星土卫六。

加州大学伯克利分校的博士后研究员彼得·高(Peter Gao)是《自然天文学》(Nature Astronomy)杂志上描述该模型的论文的第一作者,他说:“在这些炎热的气氛中可能存在的云是我们所不具备的。”真的可以认为是太阳系中的云。

“有模型可以预测各种成分,但这项研究的重点是评估这些成分中的哪一种实际上很重要,并将该模型与我们拥有的可用数据进行比较。”

该研究利用了过去十年来研究系外行星大气的繁荣。

尽管系外行星太遥远且昏暗而看不见,但许多望远镜,特别是哈勃太空望远镜,能够聚焦在恒星上并捕获穿过行星大气层的恒星光,因为它们在恒星前经过。

光谱测量揭示的被吸收的光的波长告诉天文学家哪些元素构成了大气。迄今为止,该技术和其他技术已经发现或推断出水,甲烷,一氧化碳和二氧化碳,钾和钠气体的存在,并且在最热的行星中,还存在汽化的氧化铝,铁和钛。

布里斯托大学物理学院的天体物理学家和合著者汉娜·韦克福德博士说:“在过去的十年中,使用哈勃太空望远镜进行的测量在探测系外行星大气中一直处于领先地位。

“我们最常用的测量方法是对这些炽热的巨型行星大气中的水蒸气进行测量。但是这些测量结果还表明,大气层中的云正在吸收和阻挡来自恒星的许多光。在这里,我们将这些开拓性的观察结果与我们的模型结合使用,以帮助您进一步了解那些奇异的云。”

但是,尽管有些行星似乎具有清晰的大气层和清晰的光谱特征,但许多行星上的云层完全阻止了星光的过滤,从而阻止了对上层云层下方气体的研究。气体的成分可以告诉天文学家系外行星的形成方式以及其他恒星周围是否存在生命的构成要素。

彼得·高补充说:“我们发现了很多云:在这些大气层中徘徊的某些粒子,不是分子,而是小液滴。

“我们真的不知道它们的成分,但是它们正在污染我们的观察结果,从本质上来说,这使我们更难评估水和甲烷等重要分子的组成和丰度。”

天文学家提出了许多奇怪类型的云层来解释这些观测结果,这些云层由氧化铝组成,例如刚玉,红宝石和蓝宝石。熔融盐,例如氯化钾;沙子的主要成分是氧化硅或硅酸盐,例如石英;以地球上的岩石形式存在的锰或锌的硫化物;和有机碳氢化合物。它们可能是液体或固体气溶胶。

研究小组采用了最初为地球水云创建的计算机模型,随后扩展到了像木星这样的行星的阴天大气层,木星上有氨和甲烷云。他将模型进一步扩展到了热气巨行星上所见的更高温度-高达2800开尔文或4,600华氏度(2,500摄氏度)-并且在这些温度下元素可能凝结成云。该模型考虑了各种原子或分子的气体如何凝结成小滴,小滴如何生长或蒸发以及是否由于重力而可能在风中通过风或上升气流或下沉运输。

还在高星上模拟硫酸云的彼得·高说:“这个想法是,相同的物理原理可以指导所有类型的云的形成。我要做的就是将这个模型带到银河系的其余部分,使其能够模拟硅酸盐云,铁云和盐云。”

然后,他将自己的预测结果与30个系外行星的可用数据进行了比较,到目前为止,已有约70个具有记录的透射光谱的过渡系外行星。

该模型显示,多年来提出的许多奇异云很难形成,因为冷凝所需的能量太高。但是,硅酸盐云很容易凝结,并在1200开氏温度范围内占主导地位:大约900至2,000开氏温度-大约1000摄氏度。

根据该模型,在最热的大气层中,氧化铝和氧化钛会凝结成高空云。在大气温度较低的系外行星中,这些云团形成于地球深处,并被更高的硅酸盐云团所遮盖。在更冷的系外行星上,这些硅酸盐云也会形成得更深,从而留下清晰的高层大气。在更低的温度下,来自恒星的紫外线将甲烷等有机分子转化为极长的烃链,从而形成类似于烟雾的高雾度。这种烟雾可以掩盖较低位置的钾盐或氯化钠盐云。

对于那些寻求无云星球以更轻松地研究大气中气体的天文学家来说,高建议将重点放在大约900至1,400开尔文或比2200开尔文高的行星上。

韦克福德博士补充说:“以前曾在许多系外行星大气中测量过云的存在,但是只有当我们集体看一个大样本时,我们才能区分出这些世界大气中的物理和化学。

“主要的云种与沙子一样普遍-本质上是沙子-能够通过即将到来的James Webb太空望远镜首次测量云本身的光谱特征将非常令人兴奋。”

诸如NASA的JWST计划在几年内发射的未来观测,应该能够证实这些预测,也许可以揭示离家较近的行星的隐藏云层。

彼得·高(Peter Gao)说,类似的奇异云团可能存在于木星或土星内部的深处,那里的温度接近热木星上的温度。

他补充说:“因为有上千个系外行星,而一个木星,我们可以研究其中的一堆,看看平均值是多少,与木星相比。”

他和他的同事计划用其他系外行星和褐矮星的观测数据来测试该模型,这些矮星基本上是巨大的气体巨型行星,它们几乎是恒星。他们也有云。

另一位合著者,加州大学圣克鲁斯分校的乔纳森·福特尼说:“在研究太阳系中的行星大气时,我们通常具有图像的背景。系外行星我们没有运气。它们只是点或阴影。

“这是巨大的信息损失。但是我们必须弥补的是更大的样本量。这使我们能够寻找行星温度带来的趋势-这里就是多云的趋势,这是我们太阳系所没有的。”

彼得·高(Peter Gao)得到了美国宇航局的博士后计划以及海辛·西蒙斯基金会(Heising-Simons Foundation)的51倍加西奖学金的支持。