系外行星大气中的铁 能告诉你这些秘密

瑞士伯尔尼大学的Jens Hoimex教授和Kevin Heng教授领导的研究小组最近在《自然》杂志上发表了一篇论文，报告了在KELT-9b大气中发现中性铁原子和初级离子化铁和钛离子的情况。这是首次在系外行星的大气中直接检测到重金属原子和离子。这是系外行星领域的一个重要研究进展。

研究行星形成的重要因素

与大多数已知的系外行星恒星不同，KELT-9b的主要恒星是一颗快速旋转的高温恒星，质量约为太阳的2.5倍，表面温度为10，170开尔文。它的光谱类型介于B型和A型之间，距离地球约620光年。由于KELT-9b和主星之间的距离不到水星和太阳之间距离的十分之一，轨道周期也非常短。一圈不到36小时，就被潮汐力锁住了。它只能用固定的边面对主星。由于主星的高温和行星之间的近距离，在这两个因素的共同作用下，KELT-9b面向主星的一侧的温度达到了惊人的4600开尔文，甚至超过了大多数恒星的表面温度，位居最热的系外行星之首。

人们普遍认为行星在恒星形成之初就诞生在原行星盘中，而原行星盘和它们的主要恒星都诞生在同一个气体星云中，所以它们应该有相似的化学成分。天文学家不能像在月球和火星上那样通过着陆和取样来研究系外行星的组成，但他们可以追踪主星穿过行星大气层时留下的“指纹”，并知道行星大气层中存在哪些化学元素。也正因为如此，在所有发现的系外行星中，具有凌星现象的行星更受青睐。

此前，天文学家在一些凌星行星的大气中发现了简单的分子，如一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、甲烷、一氧化碳和较轻的金属元素，如钠、钾和钙，但他们没有发现较重的金属原子。在重金属元素中，最引人注目的是铁。这不仅是因为它是星光中谱线最丰富的元素，也是因为它在原子序数大于14的元素中含量最高，也是恒星通过核聚变制造新元素的“终点”。因此，铁相对于氢的含量通常被认为是恒星中金属元素丰度的代表。如果能在行星的大气中探测到铁，它将有力地推动对行星化学成分、行星形成过程以及恒星和行星之间相互作用的研究，这具有里程碑意义。

稀有而珍贵的样品

尽管铁几乎肯定存在于行星中，但它极难被探测到。在太阳系的行星中，绝大多数铁元素以固态形式被密封在行星的核心，而之前发现的大多数热木星的表面温度不足以将铁蒸发成气态，因此几乎没有可以从远处观察到的光谱信号。此外，恒星中也存在铁。恒星和行星大气的光谱线混合在一起。很难区分铁是来自行星大气还是主星。为了找到行星大气中的铁元素，我们必须选择那些温度极高的行星。同时，主星最好是B型或A型星。它们的温度足够高，旋转速度非常快。恒星铁元素的光谱线几乎看不见，就像一个“纯”背景光源。在2017年之前，虽然已经发现了数千颗系外行星，但没有一颗能同时满足上述条件。

KELT-9b的发现为研究带来了一个转折点。在4600开尔文的行星大气中，铁和钛等重金属元素几乎不可能形成固体或液体，只能以气态形式存在，即使它们中的大多数被电离成一价铁离子(Fe+)和一价钛离子(Ti+)。阻挡行星大气层光谱信号的云层和薄雾也消失得无影无踪，几乎可以肯定是“清晰透明的”。同时，它的主星也是一颗温度高、自转快的A型星，因此是一个罕见的珍贵样品。当KELT-9b被发现时，伯尔尼大学的Kevin Heng教授带领他的团队对KELT-9b进行了深入的研究。结果表明，铁、铁离子和钛离子的信号被清晰地探测到，而中性钛原子的信号未被探测到，即在KELT-9b的高温下，大多数钛原子被电离成一价钛离子。

KELT-9b可被划分为一个全新的行星类别，即“超高温热木星”，它不同于过去发现的行星。此外，伯尔尼大学团队的理论模型还预测，一氧化碳(CO)等分子可以在相当宽的温度范围内主宰行星大气。如果将来能在KELT-9b大气中观测到近红外波段的一氧化碳分子和水分子的光谱信号，它将直接对行星大气的碳氧比甚至行星的金属丰度产生重要的限制。因为之前的一些研究表明，可能存在一种由碳主宰的行星，这与我们通常认为的由氧主宰的行星完全不同。恒教授说，在研究行星时，人们不应该只关注类似太阳系的行星系统，因为宇宙中仍然有许多非常奇怪的行星，KELT-9b就是一个例子。

(作者是德国马克斯·普朗克外星物理研究所的博士后研究员)