在地球上制造外星大气

　　概念图展示了行星KELT-9b，一个＂热木星＂（即一颗非常接近其母恒星的气态巨行星）的例子。KELT-9b是热木星的一个极端例子，它的日间温度达到4300摄氏度。
　　Credits: NASA/JPL-Caltech
　　NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL，位于加利福尼亚州帕萨迪纳）的研究人员正在地球上制造外星大气。在一项新的研究中，JPL科学家用高温＂烤箱＂将氢气和一氧化碳的混合物加热到超过1100摄氏度（大约是熔岩的温度）。其目的是模拟一类特殊的系外行星（exoplanets，即太阳系外的行星）的大气层，称为＂热木星＂（hot Jupiters）。
　　不同于们太阳系中的任何一个行星，热木星是离母恒星非常近的气态巨行星（gas giants）。地球需要365天才能绕行太阳一周，但热木星的绕行周期只有不到10天。靠近恒星意味着它们的温度范围可以从530到2800摄氏度，甚至更高。相比之下，水星（绕太阳运行一周需要88天）表面炎热的一天有430摄氏度。
　　＂虽然不可能在实验室中完全模拟这些严酷的系外行星环境，但我们可以做到非常接近，＂JPL首席科学家Murthy Gudipati说道，他是新研究小组的负责人，研究成果于上个月发表在天体物理学杂志（Astrophysical Journal）上。
　　该团队一开始使用的主要是氢气和0.3％一氧化碳气体的简单化学混合物。这些分子在宇宙和早期太阳系中极为常见，它们可以合理地构成热木星的大气。然后团队将混合物加热到330到1230摄氏度之间。
　　该团队还将他们的＂精酿＂暴露在高强度紫外线辐射下，类似热木星在如此接近其母星的轨道上所经历的。该研究的一些惊人发现证明紫外线是一种有效成分，可能是这些大气中进行的化学反应的主要原因。
　　JPL科学家使用＂烤箱＂（图中间）加热氢气和一氧化碳的混合物，并使其受到氢气放电灯产生的紫外线辐射。灯发出的可见光（粉红色光）和紫外线通过右侧的窗口进入烤箱内的气体容器。
　　Credits: NASA/JPL-Caltech
　　与普通行星相比，热木星很大，同时它们比较冷的行星辐射更多的光。这些因素使天文学家能够收集（比其他类型的系外行星）更多有关其大气层的信息。这些观测结果表明，许多热木星大气层在高海拔是不透光的。尽管云可能解释了观测到的透明度（opacity），但随着压力的降低，云变得越来越少，而且在大气压非常低的地方也观测到了很低的透明度。
　　科学家们一直在寻找除了云之外的其他可能解释，而气溶胶（aerosols），即悬浮在大气中的固体颗粒，可能就是其中之一。然而，根据JPL研究人员的说法，科学家之前并不知道气溶胶在热木星大气层中是如何形成的。在新的实验中，为高温化学混合物添加紫外线解决了这个问题。
　　右边的蓝宝石小圆盘显示在高温烤箱内形成的有机气溶胶；左边的小圆盘尚未使用。
　　Credits: NASA/JPL-Caltech
　　＂这一结果改变了我们解释热木星大气的方式，＂JPL研究科学家、该研究的第一作者Benjamin Fleury说道，＂未来，我们希望研究这些气溶胶的特性。我们希望更好地了解它们是如何形成的、如何吸收光线、以及如何响应环境的变化。所有这些信息都可以帮助天文学家理解他们在观测这些行星时到底看到的什么。＂
　　该研究还有另一个惊喜的结果：这些化学反应产生了大量的二氧化碳和水。虽然在热木星大气中发现了水蒸气，但科学家们认为，在大多数时候，这种珍贵的分子只在氧气多于碳的情况下形成。新的研究表明，当碳和氧的存在量相同时，水会形成。（一氧化碳含有一个碳原子和一个氧原子。）虽然在没有添加紫外线辐射时一些二氧化碳（一个碳和两个氧原子）可以形成，但加入模拟星光（译者注：来自恒星的光主要是紫外线）后反应加速。
　　＂这些新结果对于解释我们在热木星大气中所看到的东西非常有用，＂JPL系外行星科学家、研究合著者Mark Swain说， ＂我们设想温度在这些大气中主导化学反应，但研究表明我们需要考虑辐射是如何在其中发挥作用的。＂
　　随着下一代工具，比如NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，将于2021年升空）等，科学家们可能会研究出系外行星大气层的第一个详细的化学特征，而热木星可能是第一批研究对象中的成员。这些研究将有助于科学家了解其他＂太阳系＂的形成，以及它们与我们太阳系的相似或不同之处。
　　对于JPL研究人员来说，研究才刚刚开始。与典型的烤箱不同，他们的将气体密封以防止泄漏或污染，并允许研究人员在温度升高的同时控制气体的压力。通过这种硬件，他们现在可以在更高的温度下模拟系外行星大气：接近1600摄氏度。
　　该研究的共同作者、JPL研究科学家Bryana Henderson表示，＂如何成功地设计并操作该系统一直是一个挑战，因为大多数标准组件，比如玻璃或铝，在这些温度下会融化。我们仍然在学习在实验室中如何在安全地处理这些化学过程的同时突破这些界限。但最终，这些实验产生的令人兴奋的结果会值得付出的额外努力。＂
　　参考：
　　https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7350