天文学家新发现一颗海王星大小的系外行星 有浓密的大气层

一个国际合作小组，包括来自美国宇航局喷气推进实验室和新墨西哥大学的科学家发现了一颗新的类似海王星大小的系外行星，其轨道周期为24天，围绕着附近的一颗M型矮星运行。最近的发现提供了令人兴奋的研究机会，这要归功于该行星的大量大气层、小恒星以及该系统远离地球的速度。

这项研究的题目是TOI-1231 b：一颗温带的、海王星大小的行星绕着附近的M3矮星NLTT 24399运行，将发表在未来的一期《天文杂志》上。这颗名叫TOI-1231 b是的系外行星利用凌日系外行星探测卫星（TESS）的测光数据探测到并通过智利拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦克莱望远镜上的行星探测光谱仪（PFS）进行跟踪观测。PFS是一个复杂的仪器，通过它们对其宿主恒星的引力影响来探测系外行星。当行星绕着它们的宿主运行时，测量到的恒星速度会周期性地变化，揭示出行星的存在以及关于它们的质量和轨道的信息。

美国宇航局的TESS所采用的观测策略，将每个半球分为13个区，大约进行28天的调查，正在产生最全面的凌日行星全天空搜索。这种方法已经证明了它有能力探测到从类日星到低质量的M型矮星周围的大型和小型行星。M型矮星，也被称为红矮星，是银河系中最常见的恒星类型，约占银河系所有恒星的70%。

M型矮星较小，只拥有我们太阳质量的一小部分，光度较低。因为M型矮星比较小，当一个特定大小的行星经过这颗恒星时，被行星挡住的光量比较大，使得行星过境更容易被发现。想象一下，一颗类似于地球的行星在一颗太阳大小的恒星面前经过，它将会挡住一小部分光；但是如果它在一颗小得多的恒星面前经过，被挡住的光的比例将会更大。从某种意义上说，这在恒星的表面形成了一个更大的阴影，使M型矮星周围的行星更容易被探测到，也更容易研究。

虽然它能够在整个天空中探测到系外行星，但TESS的调查策略也会产生基于轨道周期的重大观测偏差。系外行星必须在TESS的观测范围内至少穿越其宿主恒星两次，才能被科学处理操作中心（SPOC）管道和快速观测管道（QLP）探测到正确的周期，这两个管道分别搜索TESS的2分钟和30分钟节奏的数据。由于TESS总天空覆盖率的74%只观测了28天，所以TESS探测到的大多数系外行星的周期都小于14天。因此，TOI-1231b的24天周期使得它的发现更有价值。

美国宇航局JPL的科学家Jennifer Burt（伯特）是这篇论文的主要作者，她的合作者包括UNM物理和天文学系的助理教授Diana Dragomir（德拉戈米尔），他们测量了该行星的半径和质量。伯特说：'与分布在全球各地的一群优秀的天文学家合作，我们能够收集必要的数据来描述主星的特征，并测量该行星的半径和质量。这些数值反过来使我们能够计算出该行星的体积密度，并假设该行星是由什么构成的。TOI-1231 b的大小和密度与海王星相当相似，所以我们认为它有一个类似的大型气态大气。'围绕M型矮星宿主运行的系外行星的另一个优势是，我们可以更容易地测量它们的质量，因为行星质量与恒星质量的比率也较大。当恒星较小，质量较小时，已有的探测方法可以更好地工作，因为行星相对于恒星来说更容易突出。就像投在恒星上的阴影。恒星越小，恒星的质量越小，就越能检测到行星的影响。即使TOI 1231b离它的恒星比地球离太阳的距离近八倍，它的温度也与地球相似，这要归功于它的主星更冷更不亮，然而，这颗行星本身实际上比地球大，比海王星小一点--我们可以称它为亚海王星。'

伯特和德拉戈米尔在麻省理工学院卡夫利研究所担任研究员时就开始了这项研究，他们与专门观察和描述小行星大气层的科学家合作，以弄清哪些当前和未来的天基任务可能能够窥视TOI-1231 b的外层，以告知研究人员到底有哪些气体在围绕着这颗行星旋转。TOI-1231b的温度约为330开尔文或140华氏度，是迄今为止发现的最冷的、可用于大气研究的小型系外行星之一。

过去的研究表明，如此冰冷的行星可能在其大气层的高处有云层，这使得很难确定它们周围有什么类型的气体。但是对另一颗名为K2-18 b的小型冰冷行星的新观察打破了这一趋势，并显示出其大气层中存在水的证据，令许多天文学家感到惊讶。伯特说：'TOI-1231 b是我们所知道的类似大小和温度范围的唯一其他行星之一，因此未来对这颗新行星的观测将让我们确定在这些温带世界周围形成水云是多么常见（或罕见）。'

此外，由于其宿主恒星具有较高的近红外（NIR）亮度，它将成为哈勃太空望远镜（HST）和詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）未来任务的一个令人兴奋的目标。由该论文的共同作者之一领导的第一组这些观测，应该在本月晚些时候使用哈勃太空望远镜进行。

'TOI 1231b的低密度表明它被大量的大气层所包围，而不是一个岩质行星。但是这个大气层的组成和范围是未知的，'德拉戈米尔说。'TOI1231b可能有一个大的氢气或氢氦大气层，或者一个更密集的水蒸气大气层。每一种都指向不同的起源，使天文学家能够了解与我们太阳周围的行星相比，M型矮星周围的行星是否以及如何形成不同的行星，例如。我们即将进行的HST观测将开始回答这些问题，而JWST有望对该行星的大气层进行更彻底的观察。'

研究该行星大气层的另一种方法是调查气体是否被吹走，通过寻找该行星周围氢和氦等原子的证据，因为它穿过其主星的表面。一般来说，氢原子几乎不可能被发现，因为它们的存在被星际气体所掩盖。但是这个行星-恒星系统提供了一个独特的机会来应用这种方法，因为它远离地球的速度非常快。

伯特说：'过去20年系外行星科学最令人感兴趣的结果之一是，到目前为止，我们发现的新行星系统没有一个看起来像我们的太阳系。他们充满了地球和海王星大小之间的行星，其轨道比水星的短得多，所以我们没有任何本地的例子可以与之比较。我们发现的这颗新行星仍然很奇怪--但它离有点像我们附近的行星又进了一步。与迄今为止探测到的大多数凌日行星相比，它们的温度通常在数百或数千度之间，而TOI-1231 b是非常寒冷的。这颗行星加入了其他两三颗附近的小型系外行星的行列，在未来的几年里，我们将利用各种望远镜对其进行仔细检查，所以请密切关注TOI1231b的新进展！'