云南天文台利用系外行星大气逃逸限制了高层大气的化学组成
近期，中国科学院云南天文台恒星物理研究团组闫冬冬博士及其合作者首次同时重现了系外行星HAT-P-32b在光学和近红外波段透射光谱的观测，研究了其逃逸大气的性质。该研究提出尽管下层大气有超过100倍的太阳金属丰度，其高层大气的金属丰度很可能接近太阳丰度，并表明主星有非常强的活动性。相关研究成果发表于国际著名期刊《天文与天体物理》（Astronomy & Astrophysics）杂志上。
近轨道系外行星会收到来自恒星剧烈的X射线和极紫外（EUV）高能辐射（总称为XUV）。在富气体的系外行星中，行星大气会吸收这些高能辐射，从而加热大气使其膨胀以克服行星的引力势能而逃逸到星际介质中，这种现象即行星大气逃逸。该过程可以使行星损失大量的物质，对行星的组成、演化和可宜居性都有重要的影响[1-6]。
对HAT-P-32b低层大气的光谱观测表明其金属丰度是太阳金属丰度的100-200倍[7]。然而，人们并不清楚其上层大气金属丰度。相比于轻元素粒子，重元素因其较大的相对分子质量而更不容易被输运到上层大气而逃逸。在行星受到剧烈的辐射加热时，轻重元素粒子碰撞频繁，重元素粒子可能会被轻元素粒子拖拽而逃逸。这种情况一般发生在重元素粒子质量小于临界质量时[8-9]。通过比较临界质量和重元素粒子质量，研究人员发现HAT-P-32b的重元素粒子会发生逃逸。
通过分析凌食中的不同波段如光学波段（Hα）和近红外波段（He λ10830Å）谱线的吸收情况即透射光谱，可以研究行星大气的组成和性质。在HAT-P-32b中，研究人员同时探测到了Hα和He λ10830Å的透射光谱[10]，但是还没有研究工作使用自洽的模型同时重现两条谱线的观测信号。在本研究工作中，研究人员基于课题组开发的流体动力学逃逸大气模型、辐射转移模型和非局部热力学统计平衡模型，使用了球对称的蒙特卡洛模型来模拟恒星和行星Lyα光子在行星大气中的共振散射过程，得到Lyα的散射速率Pα分布，用于计算造成Hα的吸收的激发态的氢原子分布。通过计算亚稳态氦原子的分布，同时模拟了热木星HAT-P-32b在光学波（Hα）和近红外波段（He λ10830Å）透射光谱。图1和2展示了不同情况的模拟结果。
这项工作发现行星大气中的氢氦丰度比高于太阳值（约为99.5/0.5），推断出这颗行星周围存在膨胀且逃逸的中性氢和氦气体。研究人员提出，在强烈的XUV辐射下，He原子可以被H原子拖拽而逃逸，上层大气He丰度远低于太阳值，可能表明行星在形成时就具有非常低的He丰度或者在演化过程中He逐渐流失。研究也表明尽管行星下层大气有着超太阳的金属丰度并且金属主要以亚微米粒子的形式存在于云和霾中，而上层大气的金属丰度接近太阳丰度。对于上下层大气中金属丰度的不同的原因以及金属粒子是否可以从下层大气输运到更高层需要进一步探讨。
该成果获得了中国科学院战略性先导科技专项、国家重点研发项目、基础科学中心项目、国家自然科学基金青年基金项目和云南省科学技术厅基础研究专项面上项目、云南省国际超新星研究重点实验室等支持。
参考文献：
[1] Guo,J. 2011,ApJ,733,98
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[7] Alam,M. K.,et al. 2020,AJ,160,51
[8] Hunten,D. M.,et al. 1987,Icarus,69,532
[9] Xing,L.,Yan,D.,& Guo,J. 2023,ApJ,953,166
[10]Czesla, S., et al. 2022, A&A, 657, A6
图1.太阳金属丰度Z=1、不同H/He（99/1，99.5/0.5，99.9/0.1）下的He λ10830Å和Hα模型透射光谱与观测的比较。在Z=1时能够在合理的恒星Lyα流量范围内（满足Fx/FLyα在0.6-100之间）同时解释He λ10830Å和Hα的模型限定大气氢氦比为>=99.5/0.5、XUV辐射流量为基准值的0.5-3.0倍、X射线流量与总XUV流量之比即谱指数
为0.16-0.3。恒星Ly
流量高达10FLya0=400000erg/cm2/s，表明恒星有非常强的活动性。H/He <99.5/0.5 (如太阳值H/He = 92/8)，不能找到同时拟合两条谱线的模型！
图2.超太阳金属丰度Z=100、200、300，H/He=92/8下的He λ10830Å和Hα模型透射光谱与观测的比较。此时需要较高的XUV流量和谱指数来拟合He10830谱线；要拟合Hα谱线，恒星Lyα流量高达4000-20000倍基准值，Fx/FLy
远超过上限100，此种情况可能性非常小。因而，推断出上层大气更可能是太阳金属丰度。