哈勃太空望远镜的观测结果被用来回答关键的系外行星问题

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一个国际天文学家小组分析了哈勃太空望远镜对25颗热木星的档案观测，使他们能够回答对我们了解系外行星大气层很重要的五个开放性问题。在其他发现中，该小组发现，在最热的系外行星大气中存在的金属氧化物和氢化物与大气的热倒置明显相关。资料来源：ESA/Hubble, N. Bartmann; CC BY 4.0

系外行星科学领域的重点早已从单纯的探测转移到了特征分析上，尽管特征分析仍然极具挑战性。到目前为止，大部分关于表征的研究都集中在对一颗或几颗系外行星的建模或研究上。这项新的研究由位于伦敦大学学院（UCL）的研究人员领导，使用了有史以来在一次系外行星大气层调查中检查的最多的档案数据来评估25颗系外行星的大气层。大部分数据来自于NASA/ESA哈勃太空望远镜的观测。

热木星是一类气态巨型系外行星，据推断其物理特性与木星相似，但轨道周期非常短（P<10天）。由于它们离恒星很近，表面-大气层温度很高，所以被俗称为"热木星"。

主要作者Quentin Changeat解释说。"哈勃使我们能够对25颗系外行星进行深入的特征分析，而我们所了解到的关于它们的化学和形成的信息量--由于十年的密集观测活动--是令人难以置信的。"

科学小组试图找到关于系外行星大气层的五个公开问题的答案--他们成功地达到了一个预定目标：探究了H-和某些金属可以告诉我们关于系外行星大气的化学和循环，以及关于行星的形成。他们选择调查广泛的热木星，目的是在他们的样本群中确定趋势，从而更普遍地提供对系外行星大气的见解。

这项研究的共同负责人，伦敦大学和原子能和替代能源委员会（CEA）的比利-爱德华兹说。"我们的论文标志着该领域的一个转折点：我们现在正从单个系外行星大气层的表征转向大气层群的表征。"

为了调查他们的25颗系外行星样本，该团队重新分析了大量的档案数据，包括600小时的哈勃观测，他们用斯皮策太空望远镜的400多个小时的观测作为补充。他们的数据包含了所有25颗系外行星的日食，以及其中17颗行星的凌日。从地球上看，当一颗系外行星在其恒星后面经过时就会发生日食，而当一颗行星在其恒星前面经过时就会发生凌日。日食和凌日数据都可以提供关于系外行星大气层的关键信息。

大规模的调查产生了大量结果，研究小组能够确定一些明确的趋势和系外行星的大气结构和观察到的行为之间的关联。他们的一些关键发现与他们的系外行星样本的大气层中是否存在热反转有关。他们发现，几乎所有具有热反转大气层的系外行星都非常热，温度超过2000开尔文。重要的是，这个温度足以使金属物种TiO（氧化钛）、VO（氧化钒）和FeH（铁氢化物）在大气中保持稳定。在显示热反转的系外行星中，几乎所有的行星都被发现在其大气层中具有H-、TiO、VO或FeH。

从这样的结果中得出推论总是很有挑战性的，因为相关关系不一定等于因果关系。然而，研究小组能够提出一个令人信服的论点，说明为什么H-、TiO、VO或FeH的存在可能导致热反转--即所有这些金属物种都是非常有效的恒星光的吸收者。可能是系外行星的大气层热到足以维持这些物种的存在，往往会出现热反转，因为它们随后吸收了如此多的恒星光，以至于它们的上层大气层加热得更厉害。相反，该研究小组还发现，较冷的热木星（温度低于2000开尔文，因此其大气层中没有H-、TiO、VO或FeH）几乎从来没有热倒置的大气层。

这项研究的一个重要意义是，研究小组能够利用大量的系外行星样本和极其大量的数据来确定趋势，这可以用来预测其他系外行星的行为。这是非常有用的，因为它提供了对行星如何形成的洞察能力，还因为它使其他天文学家能够更有效地计划未来的观测。相反，如果一篇论文非常详细地研究了一颗系外行星，虽然这很有价值，但要从中推断出趋势就难得多。对系外行星群的进一步了解也可以使我们更接近于解决有关我们太阳系的一系列谜题。