通過將哈勃太空望遠鏡的觀測結果跟理論模型相結合，一個天文學家小組對被稱為熱木星的各種系外行星的化學和物理構成有了深入了解。這些發現為這組行星提供了一個新的、改進的“實地指南”並為有關行星形成的一般想法提供了信息。
熱木星–以極其緊密的軌道圍繞其宿主恆星運行的巨型氣體行星–由於一項結合了理論模型和哈勃太空望遠鏡觀測的新研究而變得不再那麼神秘。
以往的研究主要集中在被歸類為“熱木星”的個別世界上，因為它們跟我們太陽系中的氣體巨頭表面上非常相似，而這項新研究則是第一個研究更廣泛的奇怪世界的群體的研究。
這項研究發表在《Nature Astronomy》上，這為天文學家提供了一份前所未有的關於熱木星的 “實地指南”並提供了關於一般行星形成的洞察力。該研究由亞利桑那大學Steward天文台的Megan Mansfield領導，參與還包括來自亞利桑那大學地球和空間探索學院的論文共同作者和助理教授Michael Line、及博士生Lindsey Wiser和前博士生Ehsan Gharib-Nezhad。
儘管天文學家認為每10顆恆星中只有1顆存在熱木星類的系外行星，但這些奇特的行星在迄今發現的系外行星中佔了相當大的比例，因為它們比其他類型的系外行星如岩石的、更像地球的行星或更小、更冷的氣體行星更大更亮。所有熱木星的大小從木星的1/3到10個木星質量不等，它們都以極近的距離圍繞其主星運行，通常比我們太陽系中最內側的行星水星離太陽還要近。在典型的熱木星上，一個“年”持續幾個小時或最多幾天。作為比較，水星需要差不多三個月的時間來完成繞太陽的旅行。
由於它們的軌道非常近，大多數（如果不是全部的話）熱木星被認為是跟它們的宿主恆星高速擁抱在一起，它們一邊永遠暴露在恆星的輻射之下另一邊則被籠罩在永久的黑暗中。一個典型的熱木星的表面可以熱到近5000華氏度，而“較冷”的標本則達到1400度–熱到足以熔化鋁。
據悉，這項研究使用了哈勃太空望遠鏡進行的觀測，儘管哈勃不能直接對這些行星進行成像但該團隊還是能直接測量熱木星的發射光譜。
Mansfield說道：“這些系統、這些恆星和它們的熱木星距離太遠，無法解決單個恆星和它的行星。我們所能看到的只是一個點–兩者的組合光源。”
Mansfield和她的團隊使用了一種被稱為二次日蝕的方法，以從觀測中提取信息進而使他們能深入窺視行星的大氣層並深入了解它們的結構和化學構成。這項技術涉及到對同一系統的重複觀測、在其軌道的不同地方捕捉行星。
“我們基本上測量了來自恆星和它的行星的綜合光線，並將該測量值跟我們在行星隱藏在其恆星後面時看到的情況進行比較。這使得我們能夠減去恆星的貢獻並分離出行星發出的光，儘管我們不能直接看到它，”Mansfield說道。
日食數據為研究人員提供了對熱木星大氣層熱結構的洞察力並使他們能為每個熱木星構建單獨的溫度和壓力曲線。然後，研究小組分析了來自每個熱木星系統的近紅外光–這是一個剛好超出人類可以看到的範圍的波長帶–以尋找吸收特徵。由於每個分子或原子都有自己特定的吸收特徵，就像指紋一樣，所以通過觀察不同的波長，研究人員可以獲得有關熱木星化學構成的信息。如如果行星的大氣層中存在水，那麼它將能吸收1.4微米的光，這屬於哈勃能很好看到的波長範圍。
Mansfield說道：“在某種程度上，我們利用分子來掃描這些熱木星上的大氣層。我們可以利用我們觀察到的光譜來獲得關於大氣層是由什麼組成的信息，我們還可以獲得關於大氣層結構的信息。”
此外，研究小組還展開了更進一步的工作。他們對觀測數據進行了量化並將其跟Line開發的模型進行了比較，據悉，這些模型被認為是在熱木星的大氣中發揮作用的物理過程。Mansfield表示，這兩組數據非常吻合，證實了基於理論工作的關於行星性質的許多預測似乎是正確的，他稱這些發現令人激動，因為它們是任何東西都不能保證的。
而這些結果表明，所有的熱木星–不僅僅是研究中包括的19顆–都可能包含類似的分子，如水和一氧化碳以及少量的其他分子。各個行星之間的差異應該主要是這些分子的相對數量不同。研究結果還顯示，觀察到的水吸收特徵在每顆熱木星之間略有不同。
Mansfield稱：“綜合來看，我們的結果告訴我們，我們很有可能已經弄清楚了這些行星的化學中所發生的大問題。同時，每顆行星都有自己的化學構成，這也影響了我們在觀測中看到的東西。”
論文共同作者Line則稱：“在過去十年時間中，在熱木星大氣方面有很多令人興奮和意想不到的發現。這項調查的好處是，也許這些世界並不像我們最初預期的那樣奇特；它們看起來與我們的模型預測很一致。”
根據研究人員們的說法，這些結果可以用來指導天文學家在觀察以前沒有研究過的熱木星時可能看到的預期。