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「地球」距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”


文章转载自“科学大院”
在我们太阳系内 ， 绝大多数铁元素存在于地球或木星等行星的内核 ， 然而最新的科学发现表明 ， 在宇宙的其他地方可不一定是这样 ， 比如：系外巨行星的大气中可能下起“铁雨” 。
「地球」距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”
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图片来源：ESO/ M. Kornmesser
WASP-76b：永恒夜幕下的铁雨
2019年 ， 由欧洲多国天文学家组成的研究团队利用欧洲南方天文台甚大望远镜(Very Large Telescope ， VLT)的ESPRESSO(the Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations)高精度光谱仪观测到 ， 距离地球630光年的系外行星WASP-76b大气中有铁原子 ， 发现铁原子会在该行星的背阳面（nightside ， 夜面）大气中冷凝成“铁雨”[1] 。
WASP-76b是一颗公转周期仅有1.8天的超高温气态巨行星 ， 这颗行星呈现为潮汐锁定状态 。 这也就意味着它的公转周期与自转周期相同 ， 从而导致行星的向阳面（dayside, 昼面）始终朝向恒星 。 这就好比从地球上看月球只能看到月球的正面 ， 正是因为月球被地球潮汐锁定 。 在恒星强烈的辐射下 ， WASP-76b向阳面的大气温度高达2400°C ， 这颗行星的大气如此炽热（接近太阳表面温度(5500°C)的一半）足以使金属汽化 。 在这样的极端环境下 ， 这颗行星大气特征和化学过程似乎颇为不寻常 。
天文学家先前已观测到超短周期系外行星大气中的金属元素 ， 也发现了行星昼夜面存在明显的温差[2-6] ， 但是在WASP-76b上首次观测到了铁原子在晨昏线上的不均匀分布 。 在凌星观测中 ， 可以通过行星大气透射谱来解译其大气成分 。 考虑行星自转时的多普勒效应 ， WASP-76b东西两侧边缘靠近和远离观测者的速度体现为 ， 大气透射谱中铁原子吸收特征关于凌星中心时刻对称分布的红移或蓝移(图1) 。 而在整个凌星过程中 ， 铁原子吸收特征以蓝移为主 ， 这表明铁原子几乎都分布在向阳面至背阳面的晨昏线上 ， 意味着在这交界处拥有丰富铁蒸气 。 实际测量到的蓝移值大于行星自转产生的蓝移 ， 故WASP-76b表面还存在一定速度的纬向风将铁原子自向阳面吹向背阳面 。 研究人员推测铁蒸气在背阳面凝结形成“铁雨” ， 然后从大气落回行星表面 ， 因此没有发现铁蒸气的踪影 。
从太阳系演化模型来说 ， 我们所熟悉的太阳系行星中所含的重元素（例如铁）均来自太阳星云 ， 目前绝大部分存在于类地行星（例如地球）或巨行星的内核 。 但是这颗系外行星的大气中居然也有大量铁元素 ， 令人十分惊讶 。
通过了解系外行星大气观测方法 ， 我们或许可以端倪WASP-76b大气中铁元素的来源 ， 这或许与其形成演化有关 。
「地球」距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”
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图1 a.WASP-76b凌星过程 ， b.铁原子吸收特征的示意图 [1]
不可能的任务：测量近千光年外行星的大气成分
天文学家通常利用直接成像法和凌星法来研究系外行星大气 。
直接成像法[7]在可见光波段和红外波段的观测 ， 可直接获得行星大气中各类分子谱线特征 ， 如H2O、O2、O3、CH4、CO2等甄别生命信息的重要成分 ， 即为所谓的“化学指纹” 。 通过凌星法[7]探测并比较恒星在被行星遮掩前后的光谱变化 ， 即可获得行星大气的化学成分 。
比如当行星环绕恒星运行时 ， 观测者可以记录行星与恒星共同亮度关于轨道相位的变化曲线(相曲线 ， 如图2) 。
【「地球」距离地球630光年的地方，下起了“铁雨”】
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图2 热木星 HD 189733b 的在 4.5 μm 波段的相曲线[8]


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