焦炙的岩漿海洋包裹下的系外行星為何如此明亮?答案可能非你所想

文章介紹了天文學家們對於一些極端的熾熱行星,研究是什麼使得他們如此明亮。通過實驗模型和對於以前的資料研究都未有個明確的答案。

銀河系中有無窮無盡的地外行星,但其中有那麼一些的存在比其他行星更加硬核,以那些被稱為「熱超級地球」的一類為例。這些行星就像一個堅果。想象一個和地球一樣的岩石世界,但其質量還要再重10倍;巨大的質量將其拉攏到離它的恆星非常之近的距離,只需10天甚至更短的時間就能完成一次公轉。

這些行星不僅是炙熱的溫度,他們與主恆星之間的超近距離使得整個行星像是一個燃燒著的地獄世界。來自恆星的輻射和星風基本剝離了行星大氣層的存在,這些行星表面被至少有850開爾文(577℃)的熔岩汪洋沖刷著。

圖解:與主恆星的「親密接觸」使得這些行星像一個熔岩地獄。圖源:lieqinews

這樣的存在讓人歎為觀止,但這其中的有些行星還有更為神秘的一面。一些行星因反射主星發出大量的光而異常明亮,這一特性被稱為反照率。

他們中的一些比地球還要亮,反射了50%來自主星照射到其表面的光(地球反射30%的太陽光)——行星科學家們也無從解答到底是什麼導致瞭如此高的反照率而使得他們如此明亮。

圖解:反照率的定義是天體表面全部被照明的部分向各個方向散射的光流φ與入射到該天體表面的光流φ0之比,它表示的是被天體表面反射到空間的光能的份額。暗黑物體比白色物體反照率低。一個反照率為 1的物體可將入射到它表面的全部光反射出去,這個物體是純白的;反之,反照率為零的物體則是純黑的。反照率定量地表明覆蓋在行星表面上物質的特性。圖源:unity

「你會以為這些熔岩星球就像個木炭球一樣在空間裡進行著它們的軌道運動——漆黑一片,一點都不顯眼,」麻省理工學院地球、大氣與行星科學系的行星科學家扎赫拉·愛莎克說。她是負責對於該現象的進行新研究的主要帶頭學者。「那麼是什麼原因使得他們如此明亮呢?」

圖解:炙熱的熔岩席捲之下,我們以為行星上會是一片焦土,在宇宙中「灰頭土臉」地旋轉著。圖源:網易

劇透警告:事實是我們也還不知道。不過,我們對於不是導致這些覆蓋著岩漿海的地外行星有如此高的反照率背後的原因有了更清楚的了解。通過在實驗室裡模擬製造熔岩和火山玻璃並測量這兩種物質之間的反射率,科學家們排除了將它們作為行星亮度來源的成因。

首先,研究團隊選擇了長石和玄武岩作為材料,這兩種礦物在地球和太陽系其他岩石星球上都很常見,並且具有特徵明顯的性能。

圖解:長石。地表岩石最重要的造岩礦物。它是一類常見的含鈣、鈉和鉀的鋁矽酸鹽類造岩礦物。圖源:chinaneolithic

在麻省理工材料科學與工程系的鑄造間,愛莎克和她的同事們將長石進行了熔化。遺憾的是,它冷卻地太快以至於無法測量到熔化狀態下的反射率,不過在此過程中產生的火山玻璃卻很有用。研究團隊進行了詳盡的測量,從各個角度對長石進行照射然後研究光反射的行為。

至於玄武岩的研究,團隊從雪城大學的熔岩項目取得了一些玄武玻璃,然後同樣進行了仔細的反射率測量。

圖解:綠色黑曜石-火山玻璃。火山玻璃指由火山噴發出來的熔岩,迅速冷卻來不及結晶而形成的一種玻璃質結構岩石。火山玻璃既可以單獨(或以它為主)組成火山岩,如珍珠岩、松脂巖、黑曜岩等。也常產於火山岩基質中,填隙在微晶礦物之間,還可以以碎屑產於玻屑凝灰岩中。圖源:earthsciences.hku.

為了測得熔岩的反射率,研究團隊查閱了過去的研究資料。然後,他們根據獲得到的從純熔岩到純火山玻璃的反照率資料,計算了介於兩者之間的一系列組合,推定為一系列熱超級地球結構的反照率。

正如推測的那樣,如果一個星球表面是由以上礦物及熔岩組成,相應的反照率應該非常低。其反照率絕對值上限也只有0.1——意味著行星只反射了主恆星10%的光。

「這樣的數值結果上表現的這個行星比地球還要暗,要解釋我們感興趣的那些超亮行星的現象顯然是不夠的,」愛莎克說。

但這也意味著,現在研究團隊就可以將目光轉向其他的可能性了。比如金星,我們知道它具有非常高的反照率,它濃厚的大氣層反射了大約70%照射到其表面的太陽光。儘管普遍認為熱超級地球沒有大氣層的存在,但這也許只是我們對於這些行星還知之甚少。

「關於這些熔岩海洋星球,我們還有許多要去發現和了解的東西,」愛莎克說。

「我們以為他們只是發光的岩石球,但這些行星也許有非常不同的、更為複雜的表面系統和大氣環境,那是一個我們前所未見的全新領域。」

未來,由凌日系外行星巡天衛星的外行星探測望遠鏡將確定更多的超級地球,可以幫助我們更好地了解這些奇特和神秘的世界。

以上研究結果現已發表在《天文物理學雜誌》。

by: MICHELLE STARR

FY: 短尾巴小狐狸

選文:天文志願文章組-小圓圈

翻譯:天文志願文章組-短尾巴小狐狸

審核:天文志願文章組-

終審:天文志願文章組-

排版:天文志願文章組-零度星系

美觀:天文志願文章組-

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自:https://www.sciencealert.com/some-planets-are-so-extreme-they-have-lava-oceans-but-that-s-not-why-they-re-so-bright