Credits: NASA/JPL-Caltech
NASA喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL，位于加利福尼亚州帕萨迪纳）的研究职员正在地球上制造外星大气。在一项新的研究中，JPL科学家用高温“烤箱”将氢气和一氧化碳的稠浊物加热到超过1100摄氏度（大约是熔岩的温度）。其目的是仿照一类分外的系生手星（exoplanets，即太阳系外的行星）的大气层，称为“热木星”（hot Jupiters）。
不同于们太阳系中的任何一个行星，热木星是离母恒星非常近的气态巨行星（gas giants）。地球须要365天才能绕行太阳一周，但热木星的绕行周期只有不到10天。靠近恒星意味着它们的温度范围可以从530到2800摄氏度，乃至更高。比较之下，水星（绕太阳运行一周须要88天）表面酷热的一天有430摄氏度。
“虽然不可能在实验室中完备仿照这些严厉的系生手星环境，但我们可以做到非常靠近，”JPL首席科学家Murthy Gudipati说道，他是新研究小组的卖力人，研究成果于上个月揭橥在天体物理学杂志（Astrophysical Journal）上。
该团队一开始利用的紧张是氢气和0.3％一氧化碳气体的大略化学稠浊物。这些分子在宇宙和早期太阳系中极为常见，它们可以合理地构成热木星的大气。然后团队将稠浊物加热到330到1230摄氏度之间。
该团队还将他们的“精酿”暴露在高强度紫外线辐射下，类似热木星在如此靠近其母星的轨道上所经历的。该研究的一些惊人创造证明紫外线是一种有效身分，可能是这些大气中进行的化学反应的紧张缘故原由。
JPL科学家利用“烤箱”（图中间）加热氢气和一氧化碳的稠浊物，并使其受到氢气放电灯产生的紫外线辐射。灯发出的可见光（粉赤色光）和紫外线通过右侧的窗口进入烤箱内的气体容器。
Credits: NASA/JPL-Caltech
与普通行星比较，热木星很大，同时它们比较冷的行星辐射更多的光。这些成分使天文学家能够网络（比其他类型的系生手星）更多有关其大气层的信息。这些不雅观测结果表明，许多热木星大气层在高海拔是不透光的。只管云可能阐明了不雅观测到的透明度（opacity），但随着压力的降落，云变得越来越少，而且在大气压非常低的地方也不雅观测到了很低的透明度。
科学家们一贯在探求除了云之外的其他可能阐明，而气溶胶（aerosols），即悬浮在大气中的固体颗粒，可能便是个中之一。然而，根据JPL研究职员的说法，科学家之前并不知道气溶胶在热木星大气层中是如何形成的。在新的实验中，为高温化学稠浊物添加紫外线办理了这个问题。
右边的蓝宝石小圆盘显示在高温烤箱内形成的有机气溶胶；左边的小圆盘尚未利用。
Credits: NASA/JPL-Caltech
“这一结果改变了我们阐明热木星大气的办法，”JPL研究科学家、该研究的第一作者Benjamin Fleury说道，“未来，我们希望研究这些气溶胶的特性。我们希望更好地理解它们是如何形成的、如何接管光芒、以及如何相应环境的变革。所有这些信息都可以帮助天文学家理解他们在不雅观测这些行星时到底看到的什么。“
该研究还有另一个惊喜的结果：这些化学反应产生了大量的二氧化碳和水。虽然在热木星大气中创造了水蒸气，但科学家们认为，在大多数时候，这种宝贵的分子只在氧气多于碳的情形下形成。新的研究表明，当碳和氧的存在量相同时，水会形成。（一氧化碳含有一个碳原子和一个氧原子。）虽然在没有添加紫外线辐射时一些二氧化碳（一个碳和两个氧原子）可以形成，但加入仿照星光（译者注：来自恒星的光紧张是紫外线）后反应加速。
“这些新结果对付阐明我们在热木星大气中所看到的东西非常有用，”JPL系生手星科学家、研究合著者Mark Swain说， “我们设想温度在这些大气中主导化学反应，但研究表明我们须要考虑辐射是如何在个中发挥浸染的。”
随着下一代工具，比如NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，将于2021年升空）等，科学家们可能会研究出系生手星大气层的第一个详细的化学特色，而热木星可能是第一批研究工具中的成员。这些研究将有助于科学家理解其他“太阳系”的形成，以及它们与我们太阳系的相似或不同之处。
对付JPL研究职员来说，研究才刚刚开始。与范例的烤箱不同，他们的将气体密封以防止泄露或污染，并许可研究职员在温度升高的同时掌握气体的压力。通过这种硬件，他们现在可以在更高的温度下仿照系生手星大气：靠近1600摄氏度。
该研究的共同作者、JPL研究科学家Bryana Henderson表示，“如何成功地设计并操作该系统一贯是一个寻衅，由于大多数标准组件，比如玻璃或铝，在这些温度下会融化。我们仍旧在学习在实验室中如何在安全地处理这些化学过程的同时打破这些界线。但终极，这些实验产生的令人愉快的结果会值得付出的额外努力。”
参考：
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7350
