一项研究在极热的系外行星 WASP-76 b 的大气中发现了 11 种化学元素。 研究结果表明，这颗行星的整体成分反映了其形成的原行星盘的成分，其高温导致岩石形成元素在大气中蒸发。 有趣的是，该团队还注意到缺乏某些需要更高温度才能蒸发的元素，从而导致了 WASP-76 b 可能吞噬了来自类水星行星的物质的假设。
由博士 Stefan Pelletier 领导的国际团队 蒙特利尔大学 Trottier 系外行星研究所的学生最近宣布，他们对极热的巨型系外行星 WASP-76 b 进行了详细研究。
使用双子座北望远镜上的 MAROON-X 仪器，该团队能够识别并测量地球大气中 11 种化学元素的丰度。
其中包括形成岩石的元素，其丰度甚至不为太阳系中的巨行星（例如木星或土星）所知。 该团队的研究发表在《自然》杂志上。
Pelletier说：“数百光年外的系外行星能够教会我们一些本来不可能了解我们自己的太阳系的东西，这种情况确实很少见。这项研究就是这种情况。”
此处描绘的超热巨型系外行星 WASP-76 b 是一个非常热的世界，其轨道非常靠近其巨星。 图片来源：国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/J
一个巨大、炎热、陌生的世界
WASP-76 b 是一个陌生的世界。 它达到极端温度是因为它非常接近其母星，这是一颗距离双鱼座 634 光年的大恒星：大约比水星到太阳的距离近 12 倍。 它的质量与木星相似，但体积几乎是木星的六倍，因此相当“膨胀”。
自从 2013 年广角行星搜索 (WASP) 计划发现它以来，许多团队对其进行了研究并确定了其大气中的各种元素。 值得注意的是，在 2020 年 3 月《自然》杂志上发表的一项研究中，一个团队发现了铁特征，并假设地球上可能存在铁雨。
意识到这些研究价值后，Pelletier 开始利用夏威夷双子座北 8 米望远镜（国际双子座天文台的一部分）上的 MAROON-X 高分辨率光学摄谱仪对 WASP-76 b 进行新的独立观测， 由 NSF 的 NOIRLab 运营。
“我们认识到，强大的新型 MAROON-X 摄谱仪将使我们能够以任何巨行星前所未有的详细程度研究 WASP-76 b 的化学成分，”该研究的合著者、UdeM 天文学教授 Björn Benneke 说道。 Stefan Pelletier 博士研究导师。
Stefan Pelletier 及其同事使用双子座北望远镜评估超热系外行星 WASP-76 b 的大气成分。 图片来源：国际双子座天文台/NOIRLab/NSF/AURA/P Horálek（奥帕瓦物理研究所）
与太阳相似的构图
在太阳内部，元素周期表中几乎所有元素的丰度都是非常准确的。 然而在巨行星中只有少数元素是这样的，它们的成分仍然受到很少的限制。 这阻碍了对这些行星形成机制的理解。
由于 WASP-76 b 距离恒星如此之近，其温度远高于 2000°C。 在这些温度下，许多通常在地球上形成岩石的元素（如镁和铁）被蒸发并以气态形式存在于高层大气中。 研究这颗奇特的行星可以前所未有地洞察巨行星中岩石形成元素的存在和丰富程度，因为在像木星这样较冷的巨行星中，这些元素在大气层中的位置较低而无法检测到。
Pelletier和他的团队在这颗系外行星的大气中测量到的许多元素的丰度——例如锰、铬、镁、钒、钡和钙——与其宿主恒星以及我们太阳的丰度非常接近。
这些丰度不是随机的：它们是大爆炸的直接产物，随后是数十亿年的恒星核合成，因此科学家测量到所有恒星中的成分大致相同。 然而，它与像地球这样的岩石行星的组成不同，后者的形成方式更为复杂。
这项新研究的结果表明，巨行星可以保持其形成的原行星盘的整体组成。
其他元素的耗尽非常有趣
然而，与恒星相比，行星中的其他元素都被耗尽了——Pelletier发现这一结果特别有趣。
“WASP-76 b 大气中似乎缺失的这些元素恰恰是那些需要更高温度才能蒸发的元素，比如钛和铝，”他说。 “与此同时，那些符合我们预测的元素，如锰、钒或钙，都会在稍低的温度下蒸发。”
研究小组的解释是，观测到的巨行星高层大气的成分对温度极其敏感。 根据元素的凝结温度，它会以气体形式存在于大气的上部，或者凝结成液体形式，并沉入更深的层。 当以气体形式存在时，它在吸收光方面发挥着重要作用，可以在天文学家的观测中看到。 当它凝结时，天文学家无法检测到它，并且在他们的观测中完全不存在。
“如果得到证实，这一发现将意味着两颗温度略有不同的巨型系外行星可能拥有截然不同的大气层。有点像两锅水，一锅水温度为 -1°C，是冷冻水，一锅水温度为 +1°C，是液态水。 例如，在 WASP-76 b 上观察到钙，但在稍微冷一点的行星上可能观察不到。”
首次检测出氧化钒
Pelletier团队的另一个有趣发现是检测到一种名为氧化钒的分子。 这是第一次在系外行星上明确地检测到它，天文学家对此非常感兴趣，因为他们知道它会对炽热的巨行星产生重大影响。“这种分子与地球大气中的臭氧发挥着类似的作用：它在加热高层大气方面非常有效。这导致温度随着高度的变化而升高，而不是像较冷的行星上通常看到的那样降低。”
镍元素在这颗系外行星大气层中的含量显然比天文学家的预期更为丰富。 许多假设可以解释这一点； 其一是 WASP-76 b 可能吸积了来自类似水星的行星的物质。 在我们的太阳系中，这颗小型岩石行星由于其形成方式而富含镍等金属。
Pelletier 的团队还发现，之前研究中报道的 WASP-76 b 东西半球之间铁吸收的不对称性对于许多其他元素也同样存在。 这意味着造成这种情况的潜在现象可能是一个全球过程，例如地球一侧存在温差或云层，而另一侧则不存在，而不是像之前建议的那样是凝结成液体形式的结果。
确认并利用经验
Pelletier和他的团队非常渴望更多地了解这颗系外行星和其他超热巨行星，部分原因是为了证实他们的假设，即温度略有不同的行星上可能存在截然不同的大气层。
他们还希望其他研究人员能够利用他们从这颗巨大的系外行星中学到的知识，并将其应用于更好地了解我们自己的太阳系行星以及它们是如何形成的。
“一代又一代的研究人员利用木星、土星、天王星和海王星测量的氢和氦丰度来确定气态行星形成理论的基准，”本内克说。 “同样，在 WASP-76 b 上测量钙或镁等重元素将有助于进一步了解气态行星的形成。