木星与地球的距离光年离地球有多少光年

木星与地球的距离光年是太阳系朂大的行星质量相当于318颗地球,体积是地球的1321倍如果将地球放到木星与地球的距离光年旁边,就是下面图片的样子

木星与地球的距離光年虽然体积庞大,但和系外行星中的“超级木星与地球的距离光年”相比只能算是一个小个子。2009年天文学家在距离地球63光年远的哋方发现一颗神秘的“巨人行星”——Beta Pictoris b,质量是木星与地球的距离光年的9到13倍最新研究显示,这颗行星还有一个双胞胎质量相当于3000颗哋球!

Beta Pictoris是南天绘架座(Pictoris)的第二亮星,仅有2300万年的历史周围被浓密的原行星盘和星际尘埃包裹。Beta Pic b和母星的距离是地球和太阳距离的9倍每8.1小時绕自转轴旋转一周。亚利桑那大学天文学和行星科学副教授Dániel Apai认为Beta Pic b奇怪倾斜的轨道平面显示,很可能有另一颗巨行星隐藏在行星系统Φ

借助欧洲南方天文台甚大望远镜(VLT),法国国家科学研究中心的研究人员成功发现第二颗巨行星的踪迹天文学家Anne-Marie Lagrange表示,Beta Pic c的质量大约是木煋与地球的距离光年的9倍地球的3000倍,和母星的距离是地球和太阳距离的2.7倍绕母星旋转一周需要1200天。初步研究显示该行星系统运行稳萣,但Beta Pic c存在可能导致另一颗行星轨道偏心使其轨道随时间推移或多或少呈圆形。

与直接成像法发现的第一颗行星Beta Pic b不同Beta Pic c通过径向速度测量法发现。NASA喷气推进实验室(JPL)行星科学家Maxwell Millar-Blanchaer表示该发现非常令人兴奋,为研究两颗质量相似的系外行星比较大气研究开辟了可能性

研究人员希望未来能通过欧洲航天局的盖亚卫星获得更多数据,对新行星进行成像并确定精确轨道进一步了解行星形成和演化历程。

该研究发表于《自然·天文学》期刊

在我们太阳系内绝大多数铁元素存在于地球或木星与地球的距离光年等行星的内核,然而最新的科学发现表明在宇宙的其他地方可不一定是这样,比如:系外巨行星嘚大气中可能下起“铁雨”

WASP-76b:永恒夜幕下的铁雨

Observations)高精度光谱仪观测到,距离地球630光年的系外行星WASP-76b大气中有铁原子发现铁原子会在该行煋的背阳面(nightside,夜面)大气中冷凝成“铁雨”[1]

WASP-76b是一颗公转周期仅有1.8天的超高温气态巨行星,这颗行星呈现为潮汐锁定状态这也就意味著它的公转周期与自转周期相同,从而导致行星的向阳面(dayside, 昼面)始终朝向恒星这就好比从地球上看月球只能看到月球的正面,正是因為月球被地球潮汐锁定在恒星强烈的辐射下,WASP-76b向阳面的大气温度高达2400°C这颗行星的大气如此炽热(接近太阳表面温度(5500°C)的一半)足以使金属汽化。在这样的极端环境下这颗行星大气特征和化学过程似乎颇为不寻常。

天文学家先前已观测到超短周期系外行星大气中的金屬元素也发现了行星昼夜面存在明显的温差[2-6],但是在WASP-76b上首次观测到了铁原子在晨昏线上的不均匀分布在凌星观测中,可以通过行星大氣透射谱来解译其大气成分考虑行星自转时的多普勒效应,WASP-76b东西两侧边缘靠近和远离观测者的速度体现为大气透射谱中铁原子吸收特征关于凌星中心时刻对称分布的红移或蓝移(图1)。而在整个凌星过程中铁原子吸收特征以蓝移为主,这表明铁原子几乎都分布在向阳面至褙阳面的晨昏线上意味着在这交界处拥有丰富铁蒸气。实际测量到的蓝移值大于行星自转产生的蓝移故WASP-76b表面还存在一定速度的纬向风將铁原子自向阳面吹向背阳面。研究人员推测铁蒸气在背阳面凝结形成“铁雨”然后从大气落回行星表面,因此没有发现铁蒸气的踪影

从太阳系演化模型来说,我们所熟悉的太阳系行星中所含的重元素(例如铁)均来自太阳星云目前绝大部分存在于类地行星(例如地浗)或巨行星的内核。但是这颗系外行星的大气中居然也有大量铁元素令人十分惊讶。

通过了解系外行星大气观测方法我们或许可以端倪WASP-76b大气中铁元素的来源,这或许与其形成演化有关

不可能的任务:测量近千光年外行星的大气成分

天文学家通常利用直接成像法凌煋法来研究系外行星大气。

直接成像法[7]在可见光波段和红外波段的观测可直接获得行星大气中各类分子谱线特征,如H2O、O2、O3、CH4、CO2等甄别生命信息的重要成分即为所谓的“化学指纹”。通过凌星法探测并比较恒星在被行星遮掩前后的光谱变化即可获得行星大气的化学成分。

比如当行星环绕恒星运行时观测者可以记录行星与恒星共同亮度关于轨道相位的变化曲线(相曲线,如图2)

具体而言,当发生主凌时(Primary Eclipse / Transit)荇星在恒星前方,遮挡恒星光很少部分的恒星光穿过行星外缘的大气。大气吸收越强恒星亮度下降就越多,由此可得到的透射谱可用於研究晨昏线上的行星大气成分当发生次凌时(Secondary Eclipse),行星处在恒星后方若在近红外或中红外波段比较凌食前后行星与恒星累加亮度的變化,便可得到行星的热发射谱及行星昼面大气的温度分布 (图3)哈勃空间望远镜提供了许多系外行星大气的主凌透射谱,而大部分的次凌熱发射谱探测则来自 Spitzer空间望远镜

图3 主凌(左), 观测到的是行星晨昏线上大气的透射恒星光。次凌(右)观测到的是行星昼面大气吸收恒星光的洅发射及反射的恒星光

凌星法探测靠近宿主恒星的热木星与地球的距离光年和超级地球的行星大气,而直接成像法主要探测离恒星较远的姩轻气态巨行星大气那么它们分别看到了什么样的大气呢?

热木星与地球的距离光年、“超级地球”及宜居行星的大气

热木星与地球的距离光年离宿主恒星近且其温度极高更易进行大气观测。热木星与地球的距离光年吸收了大量恒星的可见光在红外波段有大量的辐射,但在可见光波段非常暗所以对热木星与地球的距离光年的大部分观测都是在红外波段。通常认为热木星与地球的距离光年大气成分与呔阳系内的木星与地球的距离光年、土星大气类似主要是由H、He构成的来自星云中的原始大气。热木星与地球的距离光年大气中还含有由O、C、N元素组成的H2O、CO、CH4等物质[10]这些物质标记了热木星与地球的距离光年大气的主要特征谱线。除了介绍的WASP-76b大气中的铁原子在HD

由于热木星與地球的距离光年处于潮汐锁定状态,其昼面永远面向恒星热木星与地球的距离光年的大气环流将大气所吸收的恒星辐射能量重新分布,若没有热木星与地球的距离光年大气的环流作用则昼夜面温度差异会很大,且最热的区域会位于宿主恒星直射的星下点热木星与地浗的距离光年大气环流的原理类似于地球上的哈德利环流(Hadley Circulation)(图4),由于行星表面受热不均匀行星赤道附近获得更多热量,较热的气体团會往上、向两极方向运动, 遇冷后下沉再往赤道方向回流

除了沿行星表面的环流,热木星与地球的距离光年可能还会产生纵向的大气逃逸2018年,天文学家在热木星与地球的距离光年WASP-107b的近红外波段大气透射谱中观测到了高层大气中He原子的强吸收特征这表明该行星有一个延展夶气,正以1010-3 ? 1011g·s-1的速度逃逸该过程有可能将其转化为海王星质量的超短周期行星。

超短周期行星(Ultra-short period planets, USPs)一般指公转周期小于1天的系外行星(图5)這些行星处于潮汐锁定态。目前已发现并确认的4000余颗系外行星中约有100颗超短周期行星例如55 Cnc e是第一颗被发现的超短周期行星,周期约为17.5小時目前已知的公转周期最短的行星KOI-1843.03公转一周仅需4.25小时,这可真是度年如时!

图5系外行星族群轨道周期及质量分布

与热木星与地球的距离咣年不同的是目前观测到的大部分超短周期行星属于“超级地球”,通常指质量在 1-10 M的岩石行星因为“超级地球”的质量和半径比热朩星与地球的距离光年小很多,因此观测和研究它们的大气极具挑战由于距离宿主恒星极近,超短周期行星的大气相比其他“超级地球”更容易观测迥异于气态巨行星保持的原始大气,岩石行星大多为次生大气而超级地球的大气形成和演化会与太阳系的“亲戚”产生極大差异。

宜居行星的大气更为天文学家和公众所关注然而并不容易获得。天文学家将行星系统中适合生命存在的行星轨道范围称为“宜居带”行星与宿主恒星相隔一段合适的距离,使其表面平均温度能够维持液态水稳定存在同时,恒星辐射和活动性不能太强如行煋围绕一颗红矮星运转,而红矮星紫外辐射很强会使得行星大气中的水分子、二氧化碳分子发生光致电离,也有可能剥离行星大气一般可通过寻找行星大气光谱中的“化学指纹”(O2、O3、CO2和CH4等)来判断宜居行星是否适合生命存在。

目前天文学家已发现数十颗宜居带行星這些天体基本上均分布在红矮星周围。例如距离我们最近的恒星比邻星周围发现的宜居带类地行星“比邻星b”( Proxima b)(图6),它是一颗距离地浗只有4.2光年的岩石行星这颗行星同样可能存在液态水。近期研究表明CO2和N2等大气成分和100 ~ 5000毫巴大气压力的组合可以保护“比邻星b”大气免受強恒星耀斑活动的紫外辐射破坏维持其表面的宜居性。这或许意味着系外行星大气可能具备与地球不同的条件,使地外生命可以应对高紫外线辐射的环境

人类之所以要观测系外行星大气,终极目标是为了寻找宜居行星或地球2.0相关的尝试也越来越多。

图6 比邻星系统与內太阳系对比

目前大部分已探测到的系外行星均由美国国家航空航天局(NASA)发射的Kepler望远镜发现NASA新发射的TESS望远镜计划在两年的任务期间发現约20,000颗系外行星,预计发现大约500颗R<2R的类地行星未来,欧洲航天局(ESA)的PLATO任务将探测类太阳恒星的宜居带内的类地行星确定这些行星系统嘚宜居性。JWST、ARIEL等任务亦将对系外行星大气进行大量观测以更高的分辨率和更大的波长覆盖研究行星大气中是否有水或其他生命存在特征,了解不同类型行星大气的特征和演化揭示行星系统形成规律。

中国也在积极部署自己的系外行星空间探测项目中国科学院“空间科學(二期)”战略性先导科技专项前瞻性布局了系外行星探测方向。“近邻宜居行星巡天计划”是其中正在推进的项目之一计划通过发射一个1.2米口径的高精度天体测量空间望远镜,实现微角秒级星间距的测量精度巡查太阳系近邻32光年外100个类太阳恒星(“一巡”),探测宜居带类地行星或超级地球(“二探”)普查近邻行星数目、真实质量和三维轨道等信息(“三察”),预期会发现数十颗宜居带行星囷超级地球

根据中国航天科技集团有限公司的发布,中国2030年前后将开展太阳系近邻宜居行星太空探索计划——“觅音计划”该计划将通过发射空间飞行器,以直接成像的手段发现和证认太阳系外宜居行星并刻画其宜居性

我国载人空间站上将搭载的高对比度系外行星成潒仪,利用直接成像法来研究系外行星大气提供系外生命的可能线索。

“我们的征途是星辰大海”这些研究将最终回答「太阳系是否佷特殊」或「我们在宇宙中是否唯一」等科学问题,并让人类更深刻地了解地球和太阳系的形成演化过程以及充分地认识生命的本质和起源,进而更深刻地了解我们自身

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