氦气是继氢气之后宇宙中第二丰富的元素,但科学家过去只闻其名不闻其人,不管用什么办法都无法从系外行星的大气中找到氦气存在证据,直到现在──哈伯太空望远镜终于以新方法第一次检测到氦气!这项发现也表明,哈伯望远镜尚有新能力以不同方法探测行星大气成分,暂时无需特地发射另一个专门检测氦气的新太空望远镜。
氦气也是太阳系中木星和土星的主要组成成分之一,或者生活中常有人拍摄吸入氦气后,讲话音调瞬间从平地拔高至山丘等级的搞笑影片。但尽管我们知道氦气如此丰沛,早期理论模型也预测氦气应该是系外行星大气中最容易被发现的成分之一,事实却是:寻找氦气比预期中还要困难,至少我们从来没有成功找到过。它们也许存在,只是都在科学仪器的眼下躲过探测。
现在,英国艾希特大学博士生 Jessica Spake 领导的国际团队利用哈伯太空望远镜携带的第三代广域照相机(Wide Field Camera 3,WFC-3)寻找不同于以往波长的光,终于第一次从距离地球 200 光年远的系外行星 WASP-107b 大气中发现了氦气。研究已发表在《自然》(Nature)期刊。
第三代广域照相机被设计成多功能的照相机,能够在大视野和极宽波长范围内获取天文影像,于 2009 年 5 月的 STS-125 航天飞机任务取代了第二代广域和行星照相机 (WFPC2)。这架仪器有两个独立光路:光学通道上有一对 2,048×4,096的 CCD,可以记录波长 200~900 奈米的影像;一个近红外线侦测器阵列,涵盖波长从 900~1,700 奈米。
2017 年发现的 WASP-107b 属于超级海王星,也是已知密度最低的系外行星之一,虽然其直径与木星旗鼓相当,但质量只有木星质量的 12%。这颗系外行星距离地球约 200 光年,公转周期 5.7 天,温度高达 500℃。
Colossal exoplanet has an enormous comet-like tail of helium https://t.co/pNgmoolGtj #WomeninSTEM (image @EngineHouseVFX ) pic.twitter.com/o5pzzbAqke
— Hannah Wakeford (@StellarPlanet) 2018年5月2日
超级海王星(Super-Neptune)是指性质与海王星类似、但质量高于海王星的系外行星类型。这类行星半径通常是地球的 5~7 倍,质量通常是 20~80 M⊕(地球质量),在目前发现的系外行星中,超级海王星属于相对稀少类型,已知较著名的超级海王星有开普勒 101b、HAT-P-11b 与 K2-33b。
过去,天文学家通常透过紫外光谱研究系外行星环境,但行星大气会阻挡这种光线;而红外光却可以穿越云层,氦原子于红外光下则变得更加明显,团队便利用一种新方法来分析大气红外光数据,并得出 WASP-107b 拥有氦气的强烈讯号。
目前,只有哈伯望远镜能够以紫外光技术来探测系外行星环境,这也是迄今为止科学家研究系外行星高层大气偏少的主要原因。不过现在团队制定了以红外光探测环境的方法,代表一些地面仪器有机会成为哈伯望远镜帮手,比如欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜(Very Large Telescope,VLT)、位于美国夏威夷的凯克望远镜、位于西班牙的伽利略国家望远镜等;延迟至 2020 年 5 月发射的詹姆斯韦伯太空望远镜或许也有相等能力,帮助我们了解更多系外行星环境。
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(首图来源:哈伯太空望远镜)