中國天文學家發現光學波段的訊號可以作為探測熱木星大氣逃逸的探針

中國科學院雲南天文台博士研究生閆冬冬及其導師郭建恆研究員與合作者美國亞利桑那大學黃辰亮博士等通過模擬熱木星WASP-121b 在光學波段（Hα）的透射光譜，推斷出這顆行星周圍存在膨脹且逃逸的熱中性氫氣體。

早在2003年，人們通過觀測遠紫外波段的信號發現離主星很近的熱木星大氣中較冷的氫原子（處在低能態）以一種劇烈的形式向外逃逸。這種逃逸稱作流體動力學逃逸。行星大氣通過流體動力學逃逸損失大量的物質（大約每年一千億噸），從而對行星的演化造成了嚴重的影響。對太陽系外行星大氣流體動力學逃逸的研究也有助於研究極早期太陽系陸地行星的演化。在行星大氣中同時存在有數量很少的熱氫原子（處在高能態）。近幾年，人們在光學波段成功探測到了行星大氣中較熱氫原子對主星遮擋時產生的微弱吸收訊號（如氫的Hα透射光譜）。然而，一直缺乏有力的模型論證這些較熱的氫原子產生的吸收訊號與大氣逃逸之間的關係。

基於課題組開發的流體動力學逃逸大氣模型和輻射轉移模型，研究人員在細緻地計算了冷熱氫原子的分佈後，模擬熱木星WASP-121b 在不同觀測時刻光學波段（Hα）透射光譜觀測數據。該工作顯示這顆行星周圍存在數量巨大的逃逸的中性氫氣體，每年可以損失高達十兆噸物質。這些行星拋射的物質中熱氫原子的速度可以比聲速更快，並造成光學波段的吸收。這說明光學波段的訊號可以作為探測大氣逃逸的探針。研究人員進一步發現行星大氣在不同時刻的吸收水平變化反應了主星不同的活動特性，恆星更強的活動水平導致了行星大氣更深的吸收。這一研究也有助於更好地理解主星活動性對行星大氣逃逸的影響。

【圖、文：節錄自中國科學院雲南天文台2021年2月9日新聞公佈；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在2021年2月4日出版的《天體物理學快報》

WASP = Wide Angle Search for Planets = 廣角尋找行星星表