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爱游戏官网2017届本科毕业生张雅鹏在《NATURE》发文, 首次在太阳系外行星大气中发现和测量同位素

一国际天(tian)文研究团队(dui)首次探测到系外行星大气中(zhong)的碳(tan)同位素13C,并发现其相对含(han)量高(gao)于(yu)地球标准(图(tu)1)。这有助于研(yan)究(jiu)者们(men)追溯此类行星的(de)形成(cheng)与演化历史。相关(guan)研(yan)究(jiu)论文(标(biao)题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”)于2021年(nian)715日在《自然》(Nature)杂志发表。该论(lun)文的第一作(zuo)者张(zhang)雅鹏(peng)2017年本科毕业于爱(ai)游戏官网,现为荷兰莱(lai)顿(dun)天文台(tai)博士研究生。

1: 探(tan)测系外行星(xing)大气中的同(tong)位素(想象图(tu))©Daniëlle Futselaar

 

应用广(guang)泛的同(tong)位素

同位素(su)(isotope)是指同(tong)(tong)一化学元素的不同(tong)(tong)种(zhong)类。这些同(tong)(tong)位素虽然(ran)质(zhi)子(zi)数目相同(tong)(tong),却有着(zhe)不同(tong)(tong)的中子(zi)数目。例如,包(bao)含6个(ge)质子以及6个中子(zi)的碳(tan)原子(zi)是最常(chang)见的12C,但也有碳原子(zi)含有7个(ge)或8个中子,称为13C14C。虽然它们的化学性质相(xiang)近,但(dan)各种同位素的形成过(guo)程和对(dui)环境的反应却不尽相(xiang)同。因而,同位素被广泛应用(yong)(yong)于各种研(yan)(yan)究(jiu)领域——从癌(ai)症、心血管疾病的检测,到气(qi)候变化以及化石(shi)年龄的推断等。天文学家亦利用(yong)(yong)同位素来研(yan)(yan)究(jiu)恒星(xing)与星(xing)际介质的演化,太(tai)阳系(xi)以及系(xi)外行星(xing)的起源。

 丰富多样的(de)系外行(xing)星

迄今天文学家们(men)(men)(men)已发现超过四千颗系(xi)外(wai)(wai)行星(xing),并(bing)且这一数字仍在迅(xun)猛增长。而绝大(da)(da)多(duo)数系(xi)外(wai)(wai)行星(xing)却与(yu)我(wo)们(men)(men)(men)太阳系(xi)内的行星(xing)有(you)着巨(ju)大(da)(da)的差(cha)异(yi)。它们(men)(men)(men)或有(you)着极高的质量(例如,“超级木(mu)星(xing)” super-Jupiter),或占据着的极近的轨道(“热木星” hot-Jupiter)……系外(wai)行(xing)星(xing)的(de)多(duo)样性给(ji)行(xing)星(xing)形成(cheng)理(li)论带来(lai)了新的(de)挑战(zhan)。许(xu)多(duo)最基本的(de)问(wen)题(ti)仍困扰着天文学家: 行(xing)星(xing)的(de)形成(cheng)路径究竟是自上(shang)而下,还是自下而上(shang)?它们形成(cheng)于何处?轨道是否(fou)迁移?……解(jie)开这(zhei)些(xie)谜题(ti)的(de)钥匙之一便是系外(wai)行(xing)星(xing)的(de)大气成(cheng)分,它们如同(tong)化石遗迹一般记载(zai)着这(zhei)些(xie)行(xing)星(xing)遥远(yuan)的(de)过去。

 

图(tu)2: 行(xing)(xing)星(xing)形(xing)成环境示意图。行(xing)(xing)星(xing)诞生于恒星(xing)周(zhou)围的原(yuan)行(xing)(xing)星(xing)盘中,一氧化碳(tan)CO是碳元素的主要载(zai)体。CO雪(xue)线(xian)代表CO为(wei)气态或固态的分(fen)割线。位于CO雪线(xian)内(nei)侧的两颗行星代表(biao)太阳系木星和(he)海王星当前的位(wei)置,而(er)TYC 8998 b则远(yuan)位于CO雪线之(zhi)外。在如此遥远的距离,大(da)部分(fen)CO冻结在固态(tai)物质表面,成(cheng)为行星形(xing)成(cheng)的主要原(yuan)材(cai)料。由(you)于(yu)13C更(geng)易结合在(zai)固态(tai)表面(mian),导(dao)致(zhi)最终构成的行(xing)星中更(geng)富含(han)13C

 

用同(tong)位素追溯系(xi)外行(xing)星起(qi)源(yuan)

       研究者们利(li)用欧洲南(nan)方天文台(ESO)的甚大望远镜(VLT),发现在一颗名为(wei)TYC 8998-760-1 b的(de)(de)超级木星(xing)大气中两种碳同位素的(de)(de)比例不(bu)同寻常。这(zhei)颗(ke)行星(xing)的(de)(de)重(zhong)量几乎是太阳系木星(xing)的(de)(de)14倍,距离地球300光(guang)(guang)年(nian)。这是天文学家们首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。他们利用不同的光(guang)(guang)谱(pu)吸(xi)收信号分(fen)辨出13CO12CO(一氧化碳分子(zi)的两(liang)种同位素(su)形式),并测定两(liang)者(zhe)的相对含(han)量(liang)。天(tian)文学家(jia)们(men)预期(qi)星际(ji)介(jie)质(zhi)中13C12C的(de)含(han)量(liang)比例约(yue)为(wei)1:70,但(dan)这颗行星(xing)大气中的13C却(que)要多(duo)一倍(bei)。这颗行星大气中13C的“超标”,为我们(men)揭示其可能的起源过(guo)程提供了线(xian)索 (图2)。张雅鹏(peng)解释说: “这颗(ke)超级木星距离(li)其宿主恒星十分遥远,是日地距离(li)的160多倍。在如此远距离下,原(yuan)行(xing)星盘(protoplanetary disk)中更(geng)多的13C冻结在固体物(wu)质(zhi)表(biao)面。而这些固体物(wu)质(zhi)被诞生于此(ci)的(de)行星所吸收(shou),造就了(le)如今观测(ce)到(dao)的(de)富含13C的大气(qi)”。 因(yin)此,通过(guo)测定大气中(zhong)同位(wei)素(su)相对含量,研究(jiu)者们(men)得以追溯行(xing)星形成的(de)位(wei)置以及周围的(de)物质环境(jing)。

该论文的通讯作者(zhe)、莱顿大学(xue)教授Ignas Snellen说: “这一(yi)发(fa)现(xian)为(wei)研究系外行(xing)星(xing)(xing)大气与行(xing)星(xing)(xing)形成之(zhi)间(jian)的(de)关联开辟了一(yi)条新(xin)的(de)路径。今后,天文学家们将会把同位素观测扩(kuo)展(zhan)到(dao)多样化的(de)系外行(xing)星(xing)(xing)系统中,向揭秘(mi)行(xing)星(xing)(xing)起源更进一(yi)步。现(xian)在,这仅仅是(shi)个开始!”

 

 

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