一個跨國天文學家團隊研究了哈勃太空望遠鏡對25顆熱木星的觀測檔案，使他們能夠回答對我們了解系外行星大氣層很重要的五個未解決的問題。研究人員發現，除其他事項外，最熱的系外行星大氣中存在的金屬氧化物和氫化物與大氣的熱倒置有明顯的聯繫。

一個國際天文學家小組分析了哈勃太空望遠鏡對25顆熱木星的檔案觀測，使他們能夠回答對我們了解系外行星大氣層很重要的五個開放性問題。在其他發現中，該小組發現，在最熱的系外行星大氣中存在的金屬氧化物和氫化物與大氣的熱倒置明顯相關。資料來源：ESA/Hubble, N. Bartmann; CC BY 4.0

系外行星科學領域的重點早已從單純的探測轉移到了特徵分析上，儘管特徵分析仍然極具挑戰性。到目前為止，大部分關於表徵的研究都集中在對一顆或幾顆系外行星的建模或研究上。這項新的研究由位於倫敦大學學院（UCL）的研究人員領導，使用了有史以來在一次系外行星大氣層調查中檢查的最多的檔案數據來評估25顆系外行星的大氣層。大部分數據來自於NASA/ESA哈勃太空望遠鏡的觀測。

熱木星是一類氣態巨型系外行星，據推斷其物理特性與木星相似，但軌道周期非常短（P<10天）。由於它們離恆星很近，表面-大氣層溫度很高，所以被俗稱為”熱木星”。

主要作者Quentin Changeat解釋說。”哈勃使我們能夠對25顆系外行星進行深入的特徵分析，而我們所了解到的關於它們的化學和形成的信息量–由於十年的密集觀測活動–是令人難以置信的。”

科學小組試圖找到關於系外行星大氣層的五個公開問題的答案–他們成功地達到了一個預定目標：探究了H-和某些金屬可以告訴我們關於系外行星大氣的化學和循環，以及關於行星的形成。他們選擇調查廣泛的熱木星，目的是在他們的樣本群中確定趨勢，從而更普遍地提供對系外行星大氣的見解。

這項研究的共同負責人，倫敦大學和原子能和替代能源委員會（CEA）的比利-愛德華茲說。”我們的論文標誌著該領域的一個轉折點：我們現在正從單個系外行星大氣層的表徵轉向大氣層群的表徵。”

為了調查他們的25顆系外行星樣本，該團隊重新分析了大量的檔案數據，包括600小時的哈勃觀測，他們用斯皮策太空望遠鏡的400多個小時的觀測作為補充。他們的數據包含了所有25顆系外行星的日食，以及其中17顆行星的凌日。從地球上看，當一顆系外行星在其恆星後面經過時就會發生日食，而當一顆行星在其恆星前面經過時就會發生凌日。日食和凌日數據都可以提供關於系外行星大氣層的關鍵信息。

大規模的調查產生了大量結果，研究小組能夠確定一些明確的趨勢和系外行星的大氣結構和觀察到的行為之間的關聯。他們的一些關鍵發現與他們的系外行星樣本的大氣層中是否存在熱反轉有關。他們發現，幾乎所有具有熱反轉大氣層的系外行星都非常熱，溫度超過2000開爾文。重要的是，這個溫度足以使金屬物種TiO（氧化鈦）、VO（氧化釩）和FeH（鐵氫化物）在大氣中保持穩定。在顯示熱反轉的系外行星中，幾乎所有的行星都被發現在其大氣層中具有H-、TiO、VO或FeH。

從這樣的結果中得出推論總是很有挑戰性的，因為相關關係不一定等於因果關係。然而，研究小組能夠提出一個令人信服的論點，說明為什麼H-、TiO、VO或FeH的存在可能導致熱反轉–即所有這些金屬物種都是非常有效的恆星光的吸收者。可能是系外行星的大氣層熱到足以維持這些物種的存在，往往會出現熱反轉，因為它們隨後吸收瞭如此多的恆星光，以至於它們的上層大氣層加熱得更厲害。相反，該研究小組還發現，較冷的熱木星（溫度低於2000開爾文，因此其大氣層中沒有H-、TiO、VO或FeH）幾乎從來沒有熱倒置的大氣層。

這項研究的一個重要意義是，研究小組能夠利用大量的系外行星樣本和極其大量的數據來確定趨勢，這可以用來預測其他系外行星的行為。這是非常有用的，因為它提供了對行星如何形成的洞察能力，還因為它使其他天文學家能夠更有效地計劃未來的觀測。相反，如果一篇論文非常詳細地研究了一顆系外行星，雖然這很有價值，但要從中推斷出趨勢就難得多。對系外行星群的進一步了解也可以使我們更接近於解決有關我們太陽系的一系列謎題。