Nature：熱木星大氣首次同時探測到六種分子

熱木星（hot Jupiter）是一種系外氣體巨行星，質量與木星相當甚至超過木星，其與該星系恆星的距離非常近。此前觀測發現，熱木星的大氣中經常存在水蒸氣和一氧化碳。熱木星HD 209458b是一顆圍繞著飛馬座星系的恆星HD 209458執行的系外氣態巨行星，軌道半徑約為0.047個天文單位，相當於水星軌道半徑的八分之一，它的質量是木星的0.69倍，體積是木星的2.5倍左右（圖1），自轉週期3.5天。HD 209458b是一顆被研究的相對比較充分的熱木星（平衡溫度大約1500 K），此前已經在其大氣中發現了水蒸氣（H₂O）、一氧化碳（CO）和氰化氫（HCN）。

圖1 木星（左圖）與HD 209458b（右圖）大小對比 (圖片來源：Wikipedia)

凌星光譜觀測是探測系外行星大氣的重要手段。當系外行星圍繞其母星執行至朝向地球的一面時，稱為凌星現象。在凌星期間，恆星的光先穿過行星大氣再傳播到地球。其間，行星的大氣成分會對恆星的光進行吸收，從而在特定的波長處留下吸收特徵，形成吸收線，透過這些特定波長處的吸收特徵就可以識別行星大氣的化學成分。

GIANO-B是在西班牙拉帕爾馬（La Palma）的3.58米伽利略國家望遠鏡上安裝的高解析度近紅外光譜儀，2017年10月開始向學界提供科學觀測資料。GIANO-B單次曝光能夠獲得近紅外0.9-2.45μm光譜範圍內的高解析度光譜，光譜解析度R =50000，如此寬的波段範圍和高光譜解析度對探測多種分子型別非常關鍵，因為不同分子的不透明度隨波長變化很大。Giacobbe et al. (2021)利用GIANO-B光譜儀對熱木星HD 209458b進行了4次凌星觀測（2018年7月7日， 2018年8月29日，2019年8月27日和2019年9月3日），透過對這4次凌星觀測的光譜資料的細緻分析，首次在熱木星HD 209458b大氣中同時探測到六種分子：H₂O, HCN, C₂H₂, CO, NH₃和 CH₄。

地面望遠鏡觀測到的凌星事件的光譜中，除了系外行星大氣的吸收產生的吸收線之外，還疊加了恆星光球的吸收線和地球大氣吸收線。在整個凌星觀測過程中，由於系外行星的運動會使得其大氣的吸收線訊號有多普勒頻移（HD 209458b在凌始時的多普勒速度～-16 km/s，凌終的多普勒速度～16 km/s），而恆星光球和地球大氣吸收線是接近靜止的，因此可以透過主成分分析方法有效地過濾掉光球吸收線和地球吸收線，從而只保留下系外行星大氣的吸收線訊號。但系外行星的訊號相對於噪聲來說太弱（信噪比<<1），無法直接識別出來。幸運的是GIANO-B的譜段中包含了幾千條強的分子線，因此可以透過合併它們的訊號來嘗試探測行星訊號。義大利圖靈天文臺Paolo Giacobbe博士根據GIANO-B每個夜晚的觀測，對每一個分子、每一級譜段、每次曝光把觀測到的熱木星光譜與凌星模型光譜做互相關。用來做互相關的光譜（如圖2彩色部分）通常是選擇包含行星光譜中最強譜線的波段，並且受地球大氣吸收影響比較小。凌星模型光譜是基於GENESIS模型在假設等溫大氣和熱木星的七種主要化學成分（H₂O, HCN, C₂H₂, CO, NH₃, CO₂和CH₄）等體積混合比的條件下計算出來的凌星光譜與GIANO-B儀器輪廓卷積之後的光譜。之後把不同級光譜的互相關函式疊加，但此時仍舊探測不到有效訊號，作者又進一步將同一次或多次凌星觀測的所有光譜的互相關函式疊加（在疊加前所有光譜都需要校正到恆星的靜止座標系，以消除熱木星運動引起的吸收線位置變化），才得以從中分辨出HD 209458b行星大氣的訊號。為了計算探測到的訊號的顯著水平，作者對所有分子種類的兩組互相關值——行星靜止座標系中小於3 km/s的互相關值（探測到的訊號）和大於25 km/s（背景噪聲）的互相關值——的分佈做T檢驗。零假設是兩個樣本具有相同的均值，檢驗在一定的顯著性水平上拒絕了該假設，該水平即檢測訊號的顯著性（如圖3所示）。H₂O和HCN的訊號較強，具有最好的檢測顯著性，可以分別在四次凌星觀測中探測到；其他四種分子（C₂H₂, CO, NH₃, CH₄）的訊號相對較弱，只有當多次凌星觀測疊加時，才能被明確地檢測到，檢測顯著性總是隨著疊加凌星觀測次數的增加而增加。

圖2 地球光譜和H₂O, HCN, NH₃, C₂H₂, CO, CH4的理論透射光譜（Giacobbe et al., 2021）。彩色區域標示用來做互相關的光譜，灰色區域標示由於光譜校準和/或波長校準程式失敗而被排除

圖3 HD 209458b大氣分子探測的顯著性（Giacobbe et al., 2021）

Giacobbe et al. (2021) 基於對HD 209458b的四次凌星觀測，首次同時探測到其大氣中的六種分子：水(H₂O)，一氧化碳(CO)，氰化氫(HCN)，甲烷(CH₄)，氨(NH₃)和乙炔(C₂H₂)，均具有較高的檢測顯著性。在此之前還從未在一顆系外行星上同時探測到如此多的分子，這為我們更精細地約束系外行星化學成分提供了可能性。

基於所探測到的六種化學成分的約束，透過對熱平衡和非熱平衡、有無氣溶膠、不同金屬丰度和不同碳氧比相互組合的不同大氣模型的測試，發現HD 209458b大氣是熱化學平衡的、含有氣溶膠的、金屬丰度約為太陽的0.1-10倍、碳氧比接近或大於1（高於太陽值，0.55）。根據現有基於大氣化學的行星形成和遷移模型，表明HD 209458b形成於遠離其目前位置的地方，隨後向內遷移。根據這一結果，其他熱木星也可能存在有更豐富的化學成分，這將對熱木星具有類太陽和富氧成分的假說受到挑戰。

主要參考文獻

Giacobbe P, Brogi M, Gandhi S, et al. Five carbon-and nitrogen-bearing species in a hot giant planet’s atmosphere[J]. Nature, 2021, 592(7853): 205-208.（原文連結）

（撰稿：林紅磊，閆麗梅，範開，趙勇/地星室）

美編：傅士旭

校對：王海波