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科学家首次在太阳系外探测到水汽云团:距地球仅7.2光年

2019/7/12 5:17:57
  

  据英国《每日邮报》报道,这是天文学史上最不同寻常的发现之一:在 2014 年被首次发现的褐矮星 WISE 0855 是迄今为止天文学家们在太阳系之外发现的最寒冷的天体。然而这颗距离地球大约 7.2 光年之外的天体带给天文学家们意外还远未结束。借助最强大的地基望远镜,科学家们在红外波段取得了另外一项令人兴奋的发现:这颗星球上存在由水汽或冰晶构成的云。

  这幅动画表现的是迄今人类观测到温度最低的褐矮星,也是距离太阳距离第四近的褐矮星:WISE J085510.83-071442.5。其最早是在 2010 年,在两张时隔 6 个月,由美国宇航局“广域红外巡天探测器(WISE)”拍摄的红外波段图像上被识别出来的(橘色三角形)。随后在 2013 年和 2014 年,美国宇航局斯皮策空间望远镜又再次拍摄了它的两张图像(绿色三角形)

  一个由美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家们领衔的研究团队利用位于夏威夷的北双子望远镜成功获得了 WISE 0855 的红外波段光谱数据,从而首次揭示了这一天体的化学成分信息。

  其中尤其引人注意的发现便是这颗天体大气中显示明显的水的成分,这是人类首次在太阳系之外探测到由水或水冰组成的云团。

  加州大学圣克鲁兹分校天文学与天体物理学副教授安德鲁·斯基默(Andrew Skemer)表示:“我们预期像这样一个如此低温的天体上应该会存在含水分的云团,而观测结果证实了这一点。”

    

  这张图像展示的是距离太阳最近的一些恒星系统的位置。恒星系统名字后面的年份是它们的距离值被测定出来的年份

  科学家借助哈勃空间望远镜观测木星的极光现象,观测持续超过一个月,他们希望能够更加深入地了解木星极光的产生机制。在紫外和X波段的极光现象在木星上持续出现,其覆盖范围超过整个地球大小

  这项研究的相关论文即将在《天体物理学报》上刊出,文中指出褐矮星的环境条件与木星类似。WISE 0855 的质量大约是木星的 5 倍左右,它在很多方面都和木星相当类似。比如它的大气温度大约是华氏零下 10 度(约合-23℃),这使其温度几乎与木星一样冷。

  斯基默表示:“WISE 0855 是我们首次有机会对一颗位于太阳系之外,且温度几乎与太阳系内的气态巨行星一样低的行星质量天体开展研究。”

  此前在 2014 年发表的一项针对褐矮星的研究中,曾经在基于非常有限的测光数据的基础上提出了这类天体大气中可能存在含水云团的初步猜测。目前,采用光谱分析手段是科学家们了解一颗遥远天体大气中分子化学成分的唯一手段。

  WISE 0855 太过暗弱,对于传统光谱观测手段而言是束手无策的,不管是在可见光波段还是近红外波段都是这样。但斯基默指出,这颗天体深层大气产生的热辐射在大约 5 微米波段提供了一个狭窄的观测窗口,使得这一波段的光谱观测“极具挑战但却并非完全不可能”。

  研究组使用位于夏威夷的北双子望远镜以及配套的“双子近红外光谱仪”对 WISE 0855 进行了 13 个晚上的观测,总观测时间大约 14 个小时。斯基默指出:“在所有地基望远镜开展的光谱观测中,该天体在这一波段比任何其他天体都要暗 5 倍以上。但既然我们现在已经获得了它的光谱数据,我们便能够开始判断它的很多性质。我们的光谱数据显示 WISE 0855 上存在大量水汽和云层,整体而言与木星非常相似。”

  研究人员计算了在-23 摄氏度条件下褐矮星的大气模型并计算了在不同条件下的光谱特征,其中就包括了有云层和没有云层的不同模型。

  模型计算预测该类天体应当会显示含水汽成分云团的光谱特征,而对于 WISE 0855 的光谱数据而言,云层覆盖的模型对其拟合度是最好的。

  将褐矮星与木星进行对比,研究组发现两者的光谱中,水吸收特征谱线存在惊人地相似性。而比较明显的区别之一则是两者大气中磷化氢含量的差异,光谱数据显示木星上这种化学物质的丰度要高得多。

  磷化氢形成于行星高温的内部并会通过化学反应形成存在于大气更外侧区域的其他化合物,因此其在光谱中的存在是木星大气剧烈翻滚湍流的证据。而相比之下,WISE 0855 的光谱数据中则缺乏磷化氢信号,显示其大气湍动没有木星大气那么剧烈。

  斯基默表示:“这些光谱数据让我们得以对一颗天体的动力学与化学成分进行调查,这种调查在木星上早已经开展,但这次我们研究的是一个位于太阳系之外的世界。”


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