天文学家探测系外行星上磁场的特征

一个国际天文学家团队使用哈勃太空望远镜的数据发现了太阳系外行星中磁场的特征。这一发现在《自然天文学》杂志上的一篇论文中有所描述，标志着首次在系外行星上看到这样的特征。

磁场最能解释对带电碳粒子扩展区域的观测，这些带电碳粒子环绕着行星并以长尾流出。磁场在保护行星大气层方面起着至关重要的作用，因此探测系外行星磁场的能力是朝着更好地了解这些外星世界可能是什么样子迈出的重要一步。

该团队使用哈勃望远镜观察系外行星HAT-P-11b，这是一颗距离地球123光年的海王星大小的行星，在所谓的”凌日”中直接穿过其主星的表面六次。这些观察是在紫外线光谱中进行的，这超出了人眼所能看到的。

哈勃检测到碳离子 – 与磁场相互作用的带电粒子 – 在所谓的磁层中环绕着地球。磁层是天体（如地球）周围的区域，由物体与其主星发出的太阳风相互作用而形成。

“这是第一次在我们太阳系外的行星上直接检测到系外行星磁场的特征，”亚利桑那大学月球与行星实验室兼职研究教授、该论文的共同作者之一吉尔达·巴列斯特（Gilda Ballester）说。”像地球这样的行星上的强磁场可以保护其大气层和表面免受构成太阳风的高能粒子的直接轰击。这些过程严重影响了像地球这样的行星上生命的进化，因为磁场保护生物免受这些高能粒子的侵害。

HAT-P-11b磁层的发现是朝着提高对系外行星可居住性的理解迈出的重要一步。研究人员表示，并非所有太阳系中的行星和卫星都有自己的磁场，磁场与行星可居住性之间的联系仍需要更多的研究。

“HAT-P-11 b已被证明是一个非常令人兴奋的目标，因为哈勃的紫外线凌日观测揭示了一个磁层，既被视为行星周围的扩展离子成分，又被视为逃逸离子的长尾，”Ballester说，并补充说，这种通用方法可用于检测各种系外行星上的磁层，并评估它们在潜在可居住性中的作用。

Ballester是哈勃太空望遠鏡計劃之一的首席研究者，該計劃觀察了HAT-P-11b，為選擇這種特定目標進行紫外線研究做出了貢獻。一个关键的发现是，碳离子不仅在行星周围的一个区域被观测到，而且还以平均10万英里/小时的速度从行星上流出的长尾巴延伸。尾巴伸入太空至少1个天文单位，即地球和太阳之间的距离。

由该论文的第一作者，巴黎天体物理研究所的Lotfi Ben-Jaffel领导的研究人员随后使用3D计算机模拟来模拟地球最上层大气区域与磁场与入射太阳风之间的相互作用。

“就像地球的磁场及其直接的空间环境与撞击的太阳风相互作用一样，太阳风由以约900，000英里/小时的速度行进的带电粒子组成，HAT-P-11b的磁场与其直接的空间环境与其主星的太阳风之间存在相互作用，这些相互作用非常复杂，”Ballester解释说。

地球磁层和HAT-P-11b的物理原理是相同的;然而，系外行星靠近其恒星 – 只是从地球到太阳的距离的二十分之一 – 导致其高层大气变暖并基本上”沸腾”到太空中，导致磁尾的形成。

研究人员还发现，HAT-P-11b大气层的金属量 – 物体中比氢和氦重的化学元素的数量 – 低于预期。在我们的太阳系中，冰冷的气体行星，海王星和天王星，富含金属，但磁场较弱，而更大的气体行星，木星和土星，具有低金属量和强磁场。作者说，HAT-P-11b的低大气金属量挑战了目前系外行星形成的模型。

“虽然HAT-P-11b的质量只有木星的8%，但我们认为这颗系外行星更像迷你木星而不是海王星，”Ballester说。”我们在HAT-P-11b上看到的大气成分表明，需要做进一步的工作来完善目前关于某些系外行星如何形成的理论。

哈勃太空望远镜是美国宇航局和欧洲航天局之间的国际合作项目。观察结果通过以下计划进行：小型HST计划#14625致力于HAT-P-11b（首席研究员Gilda E. Ballester）和HST财务计划#14767，名为PanCET：Panchromatic比较系外行星库计划（联合首席研究员David K. Sing和Mercedes López-Morales）。

这篇题为”海王星大小的系外行星的强磁化特征和贫金属大气层的特征”发表在12月16日的《自然天文学》杂志上。除Ballester和Ben-Jaffel外，合著者还有Antonio García Muñoz，Panayotis Lavvas，David K. Sing，Jorge Sanz-Forcada，Ofer Cohen，Tiffany Kataria，Gregory W. Henry，Lars Buchahave，Thomas Mikal-Evans，Hannah R. Wakeford和Mercedes López-Morales。

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