紫金山天文台等在熱木星晨昏線大氣中發現氧化鈦分子

近日，The Astrophysical Journal Letters在線發表了中國科學院紫金山天文台與西班牙加那利天體物理研究所、德國哥廷根大學天體物理研究所的合作成果。研究人員在一顆熱木星的晨昏線大氣中發現了氧化鈦分子，該發現對深入了解熱木星的大氣環流和溫度結構具有重要的科學意義。

熱木星是一類尺寸與木星相當、溫度高於1000 K的太陽系外行星，覆蓋的溫度區間與紅矮星、褐矮星（光譜型M、L、T）相似。早期的理論研究預測熱木星會像M、L、T型矮星那樣，光學波段的光譜特徵在溫度較高時由氧化鈦、氧化釩分子主導，隨着溫度降低，逐漸過渡到由鈉、鉀原子主導。跟地球大氣的臭氧層一樣，高空中的氧化鈦分子對恆星輻射的吸收將會改變溫度結構，導致逆溫現象。然而，近來在多顆超高溫熱木星（特指陽面溫度在2200 K以上的熱木星）大氣中發現的逆溫結構，很有可能來源於鐵、鎂原子，並不需要氧化鈦分子存在。迄今，氧化鈦分子也只在一顆超高溫熱木星的陽面大氣中被可靠地探測到。氧化鈦分子在熱木星光譜觀測中的缺失成為未解之謎，學界提出利用深層大氣冷阱、夜面大氣冷阱、光致離解、熱離解等機制以嘗試解釋該現象。

該研究對一顆名為HAT-P-65b的熱木星進行了研究。該熱木星距地球約2750光年，公轉周期2.6天，半徑是木星的1.89倍，質量只有木星的0.53倍。它的平衡溫度約1930 K，表明其陽面溫度很有可能剛剛達到超高溫熱木星定義的邊界。研究人員利用位於西班牙的10.4米口徑加那利巨型望遠鏡（GTC）對該熱木星進行了兩次凌星觀測，得到了基本吻合的光學波段透射光譜。對透射光譜的建模反演分析顯示，該熱木星在晨昏線上的雲霾覆蓋率約為36%，有顯著的統計證據表明其晨昏大氣含有氧化鈦分子，兩次觀測測量的氧化鈦丰度基本吻合。此外，該熱木星的晨昏大氣還可能含有鈉原子和氧化釩分子，但二者均只在其中一次觀測中呈現了較強的統計證據，需要后隨觀測進行確認。該研究結果表明，前面提到的氧化鈦缺失機制在HAT-P-65b這個熱木星特例中失效，該熱木星的大氣環流狀態、化學分佈和溫度結構值得進一步的研究分析。

紫金山天文台行星科學和深空探測研究部副研究員陳果為論文第一作者和論文通訊作者。研究工作獲得中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中科院青年創新促進會、紫金山天文台小行星基金會的資助。

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