我院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

一国际天文研究团队首次探测到系外行星大气中的碳同位素13C,并发现其相对含量高于地球标准(图1)。这有助于研究者们追溯此类行星的形成与演化历史。相关研究论文(标题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”)于2021715日在《自然》(Nature)杂志发表。该论文的第一作者张雅鹏2017年本科毕业于南京大学天文与空间科学学院,现为荷兰莱顿天文台博士研究生。

1: 探测系外行星大气中的同位素(想象图)©Daniëlle Futselaar

 

应用广泛的同位素

同位素(isotope)是指同一化学元素的不同种类。这些同位素虽然质子数目相同,却有着不同的中子数目。例如,包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的12C,但也有碳原子含有7个或8个中子,称为13C14C。虽然它们的化学性质相近,但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而,同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测,到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化,太阳系以及系外行星的起源。

 丰富多样的系外行星

迄今天文学家们已发现超过四千颗系外行星,并且这一数字仍在迅猛增长。而绝大多数系外行星却与我们太阳系内的行星有着巨大的差异。它们或有着极高的质量(例如,“超级木星” super-Jupiter),或占据着的极近的轨道(“热木星” hot-Jupiter)……系外行星的多样性给行星形成理论带来了新的挑战。许多最基本的问题仍困扰着天文学家:行星的形成路径究竟是自上而下,还是自下而上?它们形成于何处?轨道是否迁移?……解开这些谜题的钥匙之一便是系外行星的大气成分,它们如同化石遗迹一般记载着这些行星遥远的过去。

 

2: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中,一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置,而TYC 8998 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离,大部分CO冻结在固态物质表面,成为行星形成的主要原材料。由于13C更易结合在固态表面,导致最终构成的行星中更富含13C

 

用同位素追溯系外行星起源

       研究者们利用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜(VLT),发现在一颗名为TYC 8998-760-1 b的超级木星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星的重量几乎是太阳系木星的14倍,距离地球300光年。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。他们利用不同的光谱吸收信号分辨出13CO12CO(一氧化碳分子的两种同位素形式),并测定两者的相对含量。天文学家们预期星际介质中13C12C的含量比例约为1:70,但这颗行星大气中的13C却要多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”,为我们揭示其可能的起源过程提供了线索 (图2)。张雅鹏解释说:“这颗超级木星距离其宿主恒星十分遥远,是日地距离的160多倍。在如此远距离下,原行星盘(protoplanetary disk)中更多的13C冻结在固体物质表面。而这些固体物质被诞生于此的行星所吸收,造就了如今观测到的富含13C的大气”。 因此,通过测定大气中同位素相对含量,研究者们得以追溯行星形成的位置以及周围的物质环境。

该论文的通讯作者、莱顿大学教授Ignas Snellen说:“这一发现为研究系外行星大气与行星形成之间的关联开辟了一条新的路径。今后,天文学家们将会把同位素观测扩展到多样化的系外行星系统中,向揭秘行星起源更进一步。现在,这仅仅是个开始!”

 

 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03616-x