Stampede2 超級計算機模擬幫助捕捉逃離遙遠星球的氦氣雲。距離地球約950 光年的一顆行星可能是《Looney Tunes》中的優勝美地-山姆（Yosemite Sam）行星，它正在以壯觀的方式吹響大氣層流失的”衝鋒號”。

這顆行星被稱為HAT-P-32b，其大氣中的氦正在大量流失，根據天文學家的觀測，拖曳的氣體尾巴是目前已知系外行星（太陽系外的行星）中最大的結構之一。

根據德克薩斯大學奧斯汀分校麥克唐納天文台霍比-艾伯利望遠鏡的數據，德克薩斯高級計算中心（TACC）Stampede2 超級計算機上的三維模擬幫助建立了這顆行星大氣流動的模型。科學家們希望擴大他們的行星觀測網，對另外20 個恆星系統進行勘測，以發現更多失去大氣層的行星，了解它們的演化過程。

行星HAT-P-32b 大氣中的氦正在大量流失，以至於拖曳的氣體尾巴是太陽系外已知行星中最大的結構之一。近似HAT-P-32 A + b 系統的軌道平面模擬”切片”。資料來源：Zhang 等人，《科學進展》9，eadf8736 (2023)。

發現氦尾巴

“我們用長時序光譜監測了這顆行星和主恆星，對恆星和行星進行了幾個晚上的觀測。我們發現有一個巨大的氦氣尾巴與這顆行星有關。這條尾巴很大–大約是行星半徑的53倍–是由行星上逸出的氣體形成的，”加州大學聖克魯茲分校天文學與天體物理學系博士後研究員張周建說。

張周建是一項關於從HAT-P 32b上探測到的氦尾的研究的第一作者，該研究發表在2023年6月的《科學進展》（Science Advances）上。科學小組使用了霍比-埃伯利望遠鏡上的宜居行星探測器光譜儀的數據，該儀器可提供近紅外波段光的高光譜分辨率。

這顆行星HAT-P-32b是2011年利用匈牙利製造的自動望遠鏡網絡的光譜數據發現的。它被稱為”熱木星”，是一顆氣態巨行星，類似於我們的鄰近行星木星，但半徑是木星的兩倍。這顆熱木星在軌道上緊緊地擁抱著它的主恆星，距離大約是地球到太陽距離的3%。它的軌道周期–我們在地球上認為的一年–只有2.15 天，這種接近恆星的距離使它受到長波和短波輻射的炙烤。

德克薩斯高級計算中心的Stampede2 超級計算機。資料來源：TACC

深入海王星沙漠

科學家們之所以對研究熱木星感興趣，主要是為了探索海王星沙漠之謎，即軌道周期較短的中等質量行星（或稱亞木星）平均相對稀少，令人費解。

“其中一個可能的解釋是，這些行星可能正在失去質量。如果我們能捕捉到正在失去大氣層的行星，那麼我們就可以研究行星失去質量的速度有多快，以及導致行星大氣層逃逸的機制是什麼。很高興能有一些像HAT-P-32b過程這樣的例子。”

研究中分析的光線來自恆星HAT-P-32 A，它的溫度略高，大小與我們的太陽相似。所分析的光並不只是直接的星光。當行星從恆星前方經過時，在短短的幾個小時裡，星光被行星的多氣體大氣層過濾得最厲害。這種被稱為”吸收”的過濾揭示了凌星的特徵，在這種情況下，分析光譜時會發現大量的氦外流。

張和同事使用了一種叫做透射光譜學的技術，將星光分離成不同的頻率，就像三棱鏡將太陽光分離成彩虹光譜一樣。光譜中的間隙表示光被HAT-P-32b氣態大氣中的元素吸收了。

“我們在數據中看到的是，當行星越過恆星時，我們看到有更深的氦吸收線。氦的吸收強於我們對恆星大氣的預期。這種過量的氦吸收應該是由行星的大氣層造成的。當行星凌日時，它的大氣層是如此巨大，以至於阻擋了吸收氦線的部分大氣層，從而導致了這種過量吸收。我們就是這樣發現HAT-P-32b是一顆有趣的行星的。”

三維模擬和大氣動力學

在阿姆斯特丹大學安東-潘尼科克天文學研究所的安東尼婭-奧克洛普契奇和哈佛大學哈佛史密森天體物理中心理論與計算研究所的摩根-麥克勞德的領導下，他們對HAT-P-32b和主星進行了三維流體力學模擬，結果更加有趣。

這些模型研究了太陽系外潮汐引力場中行星外流和恆星風之間的相互作用。模型顯示，行星外流的柱狀尾流沿行星軌道前行或後退，甚至在遠離過境點的地方也有過量的氦吸收，這與觀測結果相吻合。更重要的是，模型顯示大氣層在大約4 x 10e10 地球年後完全消失。

“我們利用TACC Stampede2 系統的英特爾Skylake 節點進行計算，”MacLeod 說。”這種計算包括跟踪氣流從行星附近緩慢移動的亞音速’大氣’加速到遠離行星的超音速風的過程。經確認，HAT-P-32b系統具有與行星繞恆星軌道大小相似的大規模外流。綜合來看，這些要求表明需要一種穩定、高精度的算法來解決三維氣體動力學問題。”

建模人員利用Athena++ 流體動力軟件和自定義問題設置在Stampede2 上進行計算。通過該軟件，他們在與行星軌道運動相匹配的旋轉參照系中求解了氣體動力學方程。Athena++是一種歐拉代碼（Eulerian code），即用體積元素對流動進行離散化處理，他們使用嵌套的網格細化層來捕捉大尺度的恆星-行星系統以及行星表面附近小得多的大氣尺度。

系外行星研究的未來

展望未來，科學家們希望繼續開發複雜的三維模型，以捕捉數百甚至數千光年外更遙遠世界的大氣層內氣體甚至風的混合等效應。

“現在是擁有計算能力強大的超級計算機來實現這一目標的時候了，”張說。”我們需要計算機根據理論的最新進展做出真正的預測，並解釋數據。超級計算機是模型和數據之間的橋樑。我們能做的最好的事情就是觀察夜空，並嘗試通過計算機建模重現我們所看到的一切，”麥克勞德總結道。”我們的宇宙是複雜的。這意味著我們需要使用絕對最好的超級計算系統”。