你大概很難想象,一顆像木星那么大的行星,能在幾分鐘內(nèi)被恒星活活加熱超過600攝氏度。這件事本身不算新鮮——天文學(xué)家早就知道這類“熱木星”的存在——但韋伯望遠(yuǎn)鏡最近傳回的數(shù)據(jù)告訴我們,現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)比模型預(yù)想的更加狂暴。美國航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家蒂芙尼·卡塔里亞博士說得相當(dāng)直白:“熱木星本來就已經(jīng)是我們所知最極端的一類系外行星了,可即便在這群‘極端分子’里,HD 80606b也算得上極端中的極端。”
這顆行星的正式編號(hào)叫HD 80606b,距離我們大約217光年,位于大熊座方向。它首次被發(fā)現(xiàn)是在2001年4月。從分類上說,它被劃入“熱木星”——一種氣態(tài)巨行星,卻不像我們太陽系里的木星那樣安分地待在冰冷冷的外圍軌道上,而是緊緊貼著母恒星旋轉(zhuǎn)。但HD 80606b的軌道一點(diǎn)兒也不“緊貼”,反倒拉出了一條又扁又長的橢圓,每111天繞一圈。你可以理解為:大多數(shù)時(shí)候它離恒星挺遠(yuǎn),表面溫度相對(duì)溫和;可一旦運(yùn)行到近日點(diǎn)——也就是最靠近恒星的時(shí)刻——它就一頭扎進(jìn)恒星輻射的煉獄里,短時(shí)間內(nèi)被劇烈烘烤,然后再迅速彈開,重新冷卻下來。
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這正是韋伯望遠(yuǎn)鏡(全稱NASA/ESA/CSA詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡)想要捕捉的瞬間。借助中紅外儀器MIRI,研究團(tuán)隊(duì)在HD 80606b近日點(diǎn)之前、期間和之后連續(xù)觀測(cè),精確記錄了這顆行星的溫度變化曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著行星掠過恒星附近,其溫度驟然飆升了華氏1100度(約合攝氏610度)。卡塔里亞博士直言:“韋伯展示出來的升溫幅度,比我們當(dāng)初根據(jù)斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)所做的預(yù)判還要極端得多。”
斯皮策是上一代紅外空間望遠(yuǎn)鏡,雖然也觀察過這顆行星的溫度波動(dòng),但韋伯的靈敏度和時(shí)間分辨率都上了一個(gè)臺(tái)階,這才讓科學(xué)家看清楚整個(gè)“閃烤”過程究竟有多劇烈。說人話就是:過去我們知道它會(huì)被加熱,但沒想到加熱曲線這么陡峭,溫度爬升得這么快。
這種急劇溫變之所以令天文學(xué)家興奮,是因?yàn)樗喈?dāng)于一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)室。此前的多項(xiàng)研究已經(jīng)表明,系外行星經(jīng)歷劇烈溫度波動(dòng)時(shí),其大氣化學(xué)和云層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)變化。問題是,多數(shù)系外行星的軌道偏心率沒那么大,溫度變化周期過長,等它變一次,望遠(yuǎn)鏡不可能一直盯著。HD 80606b則完全不同——它把正常情況下需要數(shù)年甚至數(shù)十年的氣候變化,濃縮進(jìn)短短幾個(gè)小時(shí)的近日點(diǎn)窗口里。約翰斯·霍普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的天文學(xué)家勞拉·馬約爾加博士解釋說:“觀測(cè)像HD 80606b這樣的行星其實(shí)效率極高,因?yàn)樗菞l不尋常的軌道,以及隨之而來的溫度和化學(xué)組成劇烈波動(dòng),讓我們?cè)诙潭處仔r(shí)內(nèi)就能收集到各種不同條件下的數(shù)據(jù),再把這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到其他熱木星或更常規(guī)的系外行星研究中去。”
換句話說,科學(xué)家并不是單純想看一顆行星被“烤焦”的場(chǎng)面,而是想借這個(gè)瘋狂的環(huán)境,搞清楚氣態(tài)巨行星大氣在極端輻射下的物理和化學(xué)響應(yīng)機(jī)制。這就好比材料學(xué)家把一塊樣品放進(jìn)高溫爐快速測(cè)試,而不是等它在室溫下自然老化幾年——時(shí)間上劃算太多了。
這次觀測(cè)方案里還有一個(gè)精巧的設(shè)計(jì):當(dāng)HD 80606b運(yùn)行到近日點(diǎn)時(shí),從韋伯望遠(yuǎn)鏡的視角看過去,它恰好會(huì)繞到母恒星背后,發(fā)生所謂的“次蝕”。這個(gè)幾何關(guān)系給了研究團(tuán)隊(duì)一次絕佳的機(jī)會(huì),可以分別測(cè)量恒星自身的輻射和行星被加熱后發(fā)出的紅外光,兩者一對(duì)比,就能把行星表面溫度推算出來。如果沒有次蝕這個(gè)時(shí)間窗口,行星和恒星的光芒混在一起,數(shù)據(jù)就沒這么干凈了。
需要強(qiáng)調(diào)的是,卡塔里亞所說的“比預(yù)想更極端”,目前仍是建立在初步數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上的判斷,而非最終定論。相關(guān)研究結(jié)果由卡塔里亞團(tuán)隊(duì)于6月16日在加利福尼亞州帕薩迪納舉行的第248屆美國天文學(xué)會(huì)會(huì)議上公布,報(bào)告題為《Flash-Heating a Roasted Planet: Time-Resolved Characterization of HD 80606b with JWST/MIRI》。這屬于學(xué)術(shù)會(huì)議上的成果展示,完整的同行評(píng)審論文后續(xù)可能還需要一段時(shí)間才會(huì)正式發(fā)表。因此,眼下我們看到的數(shù)字和結(jié)論,還屬于階段性的科研分享,細(xì)節(jié)上不排除后續(xù)會(huì)有修正。
不過,單從已有信息來看,HD 80606b確實(shí)給系外行星大氣研究打開了一扇難得的窗口。它把一顆行星可能經(jīng)歷的極端氣候過程,壓縮到一個(gè)人類可以輕易觀測(cè)的時(shí)間尺度內(nèi),讓科學(xué)家有機(jī)會(huì)捕捉到大氣化學(xué)成分在幾小時(shí)內(nèi)的動(dòng)態(tài)演化。這種實(shí)時(shí)性在天文學(xué)里非常珍貴。多數(shù)天文現(xiàn)象要么漫長到跨越人類壽命,要么短暫到一閃而過,像HD 80606b這樣既有規(guī)律又極度緊湊的周期變化,正好卡在一個(gè)理想的觀測(cè)節(jié)奏上。
有意思的地方還在于,這類高度偏心的軌道到底是怎么形成的。目前的推測(cè)是,HD 80606b可能經(jīng)歷過某種引力擾動(dòng)——也許來自系統(tǒng)中的另一顆恒星或行星——把它原本可能是近圓形的軌道拽成了現(xiàn)在的扁長形狀,才造就了這顆一會(huì)兒冷一會(huì)兒燙的奇特世界。不過這個(gè)引力擾動(dòng)的具體來源和機(jī)制,原文中并未展開討論,科研界也仍在持續(xù)研究。
對(duì)我們普通人來說,這件事最迷人的部分或許在于:宇宙里真的存在這樣一種行星,它的一生就在定期往返于“冰窖”和“火爐”之間,氣溫在幾小時(shí)內(nèi)猛升600多攝氏度,大氣層跟著劇烈翻騰,云層重組又消散。而人類依靠一臺(tái)放在太空中的精密儀器,從200多光年外默默注視這一切發(fā)生,就像通過一扇窗戶窺見遙遠(yuǎn)世界里的一場(chǎng)天氣風(fēng)暴。沒有詩意化的修辭能比數(shù)據(jù)本身更令人感慨——一顆質(zhì)量約為木星四倍的氣態(tài)巨行星,每111天經(jīng)歷一次灼燒,而我們剛好來得及按下“記錄”鍵。
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