预测云的高度和组成的一系列温度在炎热的木星行星上常见。温度范围，开尔文，相当于800- 3500华氏度，或427- 1927摄氏度。(加州大学伯克利分校图片作者:Peter Gao)
太阳系中的巨行星以及围绕其他恒星旋转的巨行星拥有地球上任何事物都不具备的奇异云团，而围绕其恒星旋转的气态巨行星——所谓的“热木星”——则以其最极端而自豪。
来自美国、加拿大和英国的一组天文学家现在已经提出了一个模型，可以预测多种可能形成的云中的哪一种，从蓝宝石到烟雾弥漫的甲烷烟雾，都可能出现在不同温度的高温木星上，最高可达数千开氏度。
令人惊讶的是，最常见的云类型，预计在大范围的温度，应该由液体或固体液滴的硅和氧，像融化的石英或熔融的沙子。在温度较低、温度低于950开尔文(1250华氏度)的木星上，天空被碳氢化合物烟雾所笼罩，基本上就是烟雾。
这个模型将帮助天文学家研究这些奇怪而遥远的世界的大气中的气体，因为云会干扰对大气成分的测量。它还可以帮助行星科学家了解更冷的巨型行星及其卫星的大气层，比如我们太阳系中的木星和土星的卫星土卫六。
”的云可以存在于这些热氛围是我们并不认为云在太阳系,”彼得说高,加州大学的博士后研究员,伯克利,一篇论文的第一作者描述的模型出现天文学5月25日在《自然》杂志上。“已经有预测各种成分的模型，但这项研究的目的是评估这些成分中哪些是真正重要的，并将模型与我们现有的数据进行比较。”
这项研究利用了过去十年来研究系外行星大气的热潮。尽管系外行星距离太遥远，光线太暗，无法被观测到，但许多望远镜——尤其是哈勃太空望远镜——能够聚焦于恒星，捕捉穿过行星大气层的恒星光线。光谱测量揭示出被吸收的光的波长，告诉天文学家哪些元素构成了大气。到目前为止，这项技术和其他技术已经发现或推断出了水、甲烷、一氧化碳和二氧化碳、钾和钠气体的存在，以及在行星中最热的地方，蒸发的氧化铝、铁和钛的存在。
但是，虽然一些行星似乎有清晰的大气层和清晰的光谱特征，但许多行星的云层完全阻挡了星光的过滤，阻碍了对上层云层以下气体的研究。这些气体的组成可以告诉天文学家系外行星是如何形成的，以及在其他恒星周围是否存在生命的基石。
高说:“我们已经发现了大量的云:一些种类的粒子——不是分子，而是小水滴——它们悬挂在这些大气中。”“我们不知道它们是由什么构成的，但它们正在污染我们的观测，从本质上说，这让我们更难评估水和甲烷等重要分子的组成和丰度。”
Ruby云
为了解释这些观测结果，天文学家提出了许多奇怪的云类型，由氧化铝组成，如刚玉，红宝石和蓝宝石的物质;熔盐，如氯化钾;氧化硅，或硅酸盐，如石英，沙子的主要成分;以岩石形式存在于地球上的锰或锌的硫化物;和有机碳氢化合物。高说，这些云可能是液体或固体气溶胶。
Gao采用了最初为地球水云创建的计算机模型，随后扩展到像木星这样有氨和甲烷云的行星的多云大气层。他将模型进一步扩展到高温气体巨行星上的更高温度——最高可达2800开尔文，即4600华氏度(2500摄氏度)——在这种温度下，元素可能会凝结成云。
该模型考虑了各种原子或分子的气体是如何凝结成水滴的，这些水滴是如何增长或蒸发的，以及它们是否可能被风或上升气流带到大气中，或由于重力而下沉。
“这个想法是相同的物理原理指导所有类型的云的形成，”高说，他也在金星上模拟了硫酸云。“我所做的就是把这个模型带到银河系的其他地方，使它能够模拟硅酸盐云、铁云和盐云。”
然后，他将自己的预测与30个系外行星的现有数据进行了比较，这些系外行星总共有70个凌日系外行星，迄今已记录了它们的透射光谱。
该模型揭示，多年来提出的许多奇异云难以形成，因为凝结气体所需的能量太高。然而，硅酸盐云很容易凝结，在1200开尔文的温度范围内占主导地位:大约在900开尔文到2000开尔文之间。大约2000华氏度。
根据该模型，在最热的大气中，铝氧化物和钛氧化物凝结成高层云。在大气温度较低的系外行星上，这些云在行星深处形成，被较高的硅酸盐云所遮蔽。在更冷的系外行星上，这些硅酸盐云也会在大气层深处形成，留下清晰的上层大气。在更低的温度下，这颗系外行星的恒星发出的紫外线会将甲烷等有机分子转化成极长的碳氢化合物链，形成类似于烟雾的高层薄雾。这种烟雾可以掩盖低处的钾或氯化钠盐云。
对于那些想要寻找一颗无云行星以便更容易研究大气中的气体的天文学家来说，高建议把重点放在900开尔文到1400开尔文之间的行星上，或者那些温度高于2200开尔文的行星上。
“云的存在已经测量系外行星的大气层之前,但当我们集体看大样本,我们可以在大气的物理和化学的世界,”合著者汉娜韦克福德说,在英国布里斯托尔大学的天体物理学家“主导云物种一样普遍沙子——它实际上是沙子即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)能够第一次测量这些云本身的光谱特征，这将是非常令人兴奋的。”
未来的观测，比如NASA的JWST计划在几年内发射的观测，应该能够证实这些预测，或许还能揭示离地球更近的行星隐藏的云层。高说，类似的奇异云可能存在于木星或土星的深处，那里的温度接近热木星上的温度。
高说:“因为有成千上万的系外行星，而木星只有一个，我们可以研究很多系外行星，看看它们的平均数量，以及与木星的比较。”
他和他的同事计划用其他系外行星和褐矮星的观测数据来测试这个模型，褐矮星基本上是气态巨行星，质量大到几乎可以被称为恒星。它们也有云。
“在研究太阳系的行星大气时，我们通常会有图像的背景。对于系外行星，我们就没有这样的运气了。它们只是点或阴影，”加州大学圣克鲁斯分校的乔纳森·福特尼说。那是信息的巨大损失。但我们需要弥补的是更大的样本容量。这让我们能够寻找趋势——这里是云层的趋势——与行星温度的趋势，这是我们在太阳系中无法得到的。”
这篇论文的其他联合作者还有加拿大蒙特利尔大学的丹尼尔·索恩格伦(Daniel Thorngren)和英国牛津大学的格雷厄姆·李(Graham Lee)来自加州大学圣克鲁斯分校的黛安娜·鲍威尔和张曦，来自德克萨斯大学奥斯汀分校的卡罗琳·莫利，以及来自马里兰州约翰霍普金斯大学应用物理实验室的凯文·史蒂文森。
高获得了美国国家航空航天局博士后项目和海森堡-西蒙斯基金会51个Pegasi b项目的资助。
相关信息
- 以硅酸盐和碳氢化合物烟雾为主的热的巨大系外行星的气溶胶组成(自然天文学)
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.berkeley.edu/2020/05/26/astronomers-create-cloud-atlas-for-hot-jupiter-like-exoplanets/