首度在系外行星大氣中發現氦氣!天文學家建立紅外光譜新技術

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 05 日 10:58 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

氦氣是繼氫氣之後宇宙中第二豐富的元素,但科學家過去只聞其名不聞其人,不管用什麼辦法都無法從系外行星的大氣中找到氦氣存在證據,直到現在──哈伯太空望遠鏡終於以新方法第一次檢測到氦氣!這項發現也表明,哈伯望遠鏡尚有新能力以不同方法探測行星大氣成分,暫時無需特地發射另一個專門檢測氦氣的新太空望遠鏡。



氦氣也是太陽系中木星和土星的主要組成成分之一,或者生活中常有人拍攝吸入氦氣後,講話音調瞬間從平地拔高至山丘等級的搞笑影片。但儘管我們知道氦氣如此豐沛,早期理論模型也預測氦氣應該是系外行星大氣中最容易被發現的成分之一,事實卻是:尋找氦氣比預期中還要困難,至少我們從來沒有成功找到過。它們也許存在,只是都在科學儀器的眼下躲過探測。

現在,英國艾希特大學博士生 Jessica Spake 領導的國際團隊利用哈伯太空望遠鏡攜帶的第三代廣域照相機(Wide Field Camera 3,WFC-3)尋找不同於以往波長的光,終於第一次從距離地球 200 光年遠的系外行星 WASP-107b 大氣中發現了氦氣。研究已發表在《自然》(Nature)期刊。

第三代廣域照相機被設計成多功能的照相機,能夠在大視野和極寬波長範圍內獲取天文影像,於 2009 年 5 月的 STS-125 太空梭任務取代了第二代廣域和行星照相機 (WFPC2)。這架儀器有兩個獨立光路:光學通道上有一對 2,048×4,096的 CCD,可以記錄波長 200~900 奈米的影像;一個近紅外線偵測器陣列,涵蓋波長從 900~1,700 奈米。

2017 年發現的 WASP-107b 屬於超級海王星,也是已知密度最低的系外行星之一,雖然其直徑與木星旗鼓相當,但質量只有木星質量的 12%。這顆系外行星距離地球約 200 光年,公轉週期 5.7 天,溫度高達 500℃。

超級海王星(Super-Neptune)是指性質與海王星類似、但質量高於海王星的系外行星類型。這類行星半徑通常是地球的 5~7 倍,質量通常是 20~80 M⊕(地球質量),在目前發現的系外行星中,超級海王星屬於相對稀少類型,已知較著名的超級海王星有克卜勒 101b、HAT-P-11b 與 K2-33b。

過去,天文學家通常透過紫外光譜研究系外行星環境,但行星大氣會阻擋這種光線;而紅外光卻可以穿越雲層,氦原子於紅外光下則變得更加明顯,團隊便利用一種新方法來分析大氣紅外光數據,並得出 WASP-107b 擁有氦氣的強烈訊號。

目前,只有哈伯望遠鏡能夠以紫外光技術來探測系外行星環境,這也是迄今為止科學家研究系外行星高層大氣偏少的主要原因。不過現在團隊制定了以紅外光探測環境的方法,代表一些地面儀器有機會成為哈伯望遠鏡幫手,比如歐洲南方天文台位於智利的甚大望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)、位於美國夏威夷的凱克望遠鏡、位於西班牙的伽利略國家望遠鏡等;延遲至 2020 年 5 月發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡或許也有相等能力,幫助我們了解更多系外行星環境。

(首圖來源:哈伯太空望遠鏡