厲害了科學家：在地球上製造出外星球的大氣層！

美國宇航局位於加州帕薩迪納的噴氣推進實驗室研究人員正在地球上製造一種外星大氣。在一項新的研究中，噴氣推進實驗室科學家使用高溫「烤箱」將氫和一氧化碳的混合物加熱到超過2000華氏度(1100攝氏度)，大約是熔岩的溫度。其目的是模擬一種特殊系外行星(太陽系外的行星)的大氣層中可能存在條件，這種行星被稱為「熱木星」。熱木星是一種氣態巨行星，它的軌道非常接近母恆星，不像我們太陽系中的任何行星。地球繞太陽公轉365天，而熱木星繞恆星公轉不到10天。

博科園-科學科普：它們離恆星很近，這意味著它們的溫度可以達到1000到5000華氏度(530到2800攝氏度)甚至更高。相比之下，水星表面的熱天(繞太陽一周需要88天)達到約800華氏度(430攝氏度)。噴氣推進實驗室的首席科學家Murthy Gudipati說：雖然我們不可能在實驗室里精確模擬這些嚴酷的外行星環境，但我們可以非常接近。研究小組從一種主要由氫氣和0.3%一氧化碳組成的簡單化學混合物開始。這些分子在宇宙和早期太陽系中極為常見，它們可以合理地組成熱木星的大氣層。

這幅藝術概念圖展示的是凱爾特-9b行星，它是「熱木星」的一個例子，或者是一顆繞母恆星非常近的氣態巨行星。KELT-9b是木星高溫的一個極端例子，白天溫度達到7800華氏度(4300攝氏度)。圖片：NASA/JPL-Caltech

然後研究小組將混合物加熱到620到2240華氏度(330到1230攝氏度)。研究小組還將實驗室釀造的啤酒暴露在高劑量紫外線輻射下——類似於熱木星在如此接近其母恆星軌道上所經歷的情況。紫外線被證明是一種有效成分。這在很大程度上導致了研究中一些更令人驚訝的結果，這些結果可能是在這些溫暖環境中發生的化學反應。按照行星的標準，熱木星很大，它們比冷行星輻射更多的光。這些因素使得天文學家能夠比大多數其他類型的系外行星收集更多關於它們大氣層的信息。這些觀測結果表明，許多高溫的木星大氣層在高海拔地區是不透明的。

雖然雲層可以解釋這種不透明度，但隨著氣壓的降低，雲層的不透明度會變得越來越不穩定，而在氣壓非常低的地方，人們就可以觀察到這種不透明度。科學家們一直在尋找除了雲層之外的其他可能解釋，懸浮微粒(懸浮在大氣中的固體顆粒)可能是其中之一。然而，據噴氣推進實驗室的研究人員說，科學家們以前並不知道氣溶膠是如何在熱木星大氣中形成的。在新實驗中，在熱化學混合物中加入紫外線就成功了。噴氣推進實驗室研究科學家、該研究的主要作者本傑明·弗勒里(Benjamin Fleury)說：這一結果改變了我們解釋那些朦朧熱木星大氣層的方式。

噴氣推進實驗室科學家們用「烤箱」(中央)加熱氫氣和一氧化碳的混合物，並將其置於氫氣放電燈產生紫外線輻射下。這種燈發出可見光(粉色輝光)和紫外光，紫外光通過右邊一扇窗戶進入烤箱內的氣體容器。圖片：NASA/JPL-Caltech

未來，我們想研究這些氣溶膠的性質。想更好地理解它們是如何形成，它們是如何吸收光線，以及它們是如何對環境的變化做出反應。所有這些信息都能幫助天文學家了解他們在觀察這些行星時所看到的東西。這項研究還帶來了另一個驚喜：化學反應產生了大量二氧化碳和水。雖然在熱木星大氣中發現了水蒸氣，但科學家們大多預計，只有當氧氣多於碳時，這種珍貴的分子才會形成。新研究表明，當碳和氧的含量相等時，水就會形成。當一些二氧化碳(一個碳原子和兩個氧原子)在沒有加入紫外線輻射的情況下形成時，反應隨著模擬星光的加入而加速。

噴氣推進實驗室系外行星科學家、該研究的合著者馬克·斯溫(Mark Swain)說：這些新發現對於解釋我們在木星大氣層中所看到的情況非常有用，假設溫度主導了這些大氣中的化學成分，但這表明需要研究輻射是如何發揮作用的。NASA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)等新一代工具將於2021年發射，科學家們可能會首次獲得系外行星大氣的詳細化學特徵，其中一些首批研究對象可能是熱木星。這些研究將幫助科學家了解其他太陽系是如何形成，以及它們與我們的太陽系有多麼相似或不同。對於噴氣推進實驗室的研究人員來說，這項工作才剛剛開始。

右邊小藍寶石圓盤顯示的是在高溫烤箱內形成有機氣溶膠，左邊的磁碟沒有被使用。圖片：NASA/JPL-Caltech

與普通烤箱不同的是，他們的烤箱將氣體密封得很緊，以防止泄漏或污染，而且當溫度上升時，研究人員可以控制氣體的壓力。有了這種硬體，現在可以在更高溫度下模擬系外行星的大氣層：接近3000華氏度(1600攝氏度)。噴氣推進實驗室的科學家、該研究報告的合著者之一布萊恩·亨德森說：如何成功地設計和操作該系統一直是一個持續的挑戰，因為大多數標準組件，如玻璃或鋁，都是在這種溫度下熔化。科學家仍在學習如何在實驗室安全處理這些化學過程的同時突破這些界限。但歸根結底，這些實驗令人興奮的結果值得所有努力。

博科園-科學科普｜研究/來自: 美國宇航局(NASA)

圖片：NASA/JPL-Caltech

參考期刊文獻:《天體物理學》

DOI: 10.3847/1538-4357/aaf79f

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