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云南天文台在系外行星氢氦大气性质研究方面取

发布时间:2024-02-12科研进展
近轨道系外行星会收到来自恒星剧烈的X射线和极紫外(EUV)高能辐射。在富气体的系外行星中,行星大气会吸收这些高能辐射,从而加热大气使其膨胀以克服行星的引力势能而逃逸到星

近轨道系外行星会收到来自恒星剧烈的X射线和极紫外(EUV)高能辐射。在富气体的系外行星中,行星大气会吸收这些高能辐射,从而加热大气使其膨胀以克服行星的引力势能而逃逸到星际介质中,这种现象即行星大气逃逸。该过程可以使行星损失大量的物质,对行星的组成、演化和可宜居性都有重要的影响。

通过分析凌食中的不同波段如光学波段(Hα)和近红外波段(He λ10830Å)谱线的吸收情况即透射光谱,可以研究行星大气的组成和性质。在一些系统中,同时探测到了多条吸收谱线,但目前能同时解释多条谱线的工作还非常少见,尤其是同时重现Hα和He λ10830Å的透射光谱。

中国科学院云南天文台恒星物理研究团组博士生闫冬冬、导师郭建恒研究员、大样本恒星演化研究团组李立芳研究员及合作者韩国空间研究院Kwang-il Seon教授和紫金山天文台的陈果研究员等引入了全新的方法来研究行星大气中恒星和行星Lyα的共振散射,首次同时重现了系外行星WASP-52b在不同波段透射光谱的观测,研究了其氢氦大气的性质,并取得了实质性的进展。相关研究成果发表于国际著名期刊《天体物理杂志》(The Astrophysical Journal)。

在本工作中,研究人员基于课题组开发的流体动力学逃逸大气模型和辐射转移模型,首次使用了球对称的蒙特卡洛模型来模拟恒星和行星Lyα光子在行星大气中的共振散射过程,得到Lyα的散射速率Pα分布(如图1左),用于计算造成Hα的吸收的激发态的氢原子分布(如图1右)。同时,他们细致地计算了亚稳态氦原子的分布。同时模拟了热木星WASP-52b在光学波段(Hα)和近红外波段(He λ10830Å)透射光谱观测数据(如图2)。从而限定了行星接收到的恒星X射线和极紫外辐射水平,以及行星大气中的氢氦丰度比(高于太阳丰度,约为98/2),推断出这颗行星周围存在膨胀且逃逸的中性氢和氦气体,为行星大气的理论研究提供了新的方法和参考。

该成果获得了中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发项目和国家自然科学基金等支持。

论文链接

 

                  

 

 

图1. 左图和右图分别为基准模型的Lyα散射速率和激发态氢原子数密度在柱坐标中的分布。图中白色圆圈代表行星本身,周围是行星大气。

 

图2. 模型透射光谱与观测的比较。左图为Hα透射光谱,其中带误差棒的散点为观测数据,红色实线为最佳拟合模型,该模型的大气氢氦比为98/2, XUV辐射流量为基准值的0.5倍,X射线流量与总XUV流量之比即谱指数为0.3。右图同左图,但是为He λ10830Å透射光谱。可以看出,最佳模型可以同时很好地重现两条吸收谱线的观测。