系外行星上存在雲跟雨嗎？

系外行星上存在雲跟雨嗎？
國立臺灣大學大氣科學系陳穎霖

除了太陽系以外，天文學家目前正在積極尋找太陽系外的行星，透過光譜分析，或是如克卜勒望遠鏡透過光度變化來發掘系外行星，目前找到的多半是「熱木星」──具有大於木星質量的氣體行星，卻和母恆星位置相當接近，甚至和水星金星相比軌道更內側。而天文學家也成功利用其「凌日」現象，來一窺他們大氣可能的組成，其中有些星球被推測可能存在相態變化，成雲降水(當然不是H₂O『水』)。

一、HD 189733b

HD 189733b是距離地球約63光年的熱木星，其質量略大於木星，是在2005年利用凌日法所發現，並且以都卜勒光學觀測法驗證其存在。凌日法是觀測恆星光度變化，如果該恆星的盤面剛好在我們觀測的方向，那麼其行星就會產生類似凌日的現象，讓光度在短時間內減小後又恢復，可依此來推算其軌道週期、質量等。都卜勒光學觀測法則是利用恆星也會繞著系統共同質心有相對移動，以階梯光柵高解析地去分析恆星光譜，來釐清其運動週期，推測行星存在及軌道。

圖一、HD189733b想像圖

2008年，天文學家成功的利用偏振測量法，測定HD189733b上的可見光顏色。該行星在藍光下的反照率較紅光高，因此在肉眼下應呈現藍色（如圖一），這可能是因為雷利散射(Rayleigh Scattering)所致。在2013年英國牛津大學的天文物理學家Tom Evans利用哈伯望遠鏡觀測HD189733b及其繞到其母恆星背後時的資料，解析出其顏色。因此HD189733b成為首顆以兩種不同方式測定其顏色的系外行星。

依散射模型，由於其軌道比水星軌道更接近其恆星(約1/6的距離)，科學家推測其表面溫度飆破攝氏千度，可來到1340~1540K。也由於過度接近恆星，該行星的氣體流失率更高達每秒1000到10萬公噸，這個流失率主要是藉由2010年3月的一次凌日事件所測得。而在另一次的X-ray觀測中更發現其大氣層比原先估計的要厚三倍，因為在X-ray下降的光度比可見光大許多，科學家因而推測其擁有濃厚的大氣，而大氣中可能含有粒徑約10⁻²到10⁻¹ μm 的矽酸鎂（MgSiO₃）。 2007年由喬凡娜‧蒂內蒂的團隊利用史匹哲望遠鏡觀測，以及隨後的哈伯望遠鏡觀測，均顯示該行星大氣中有水汽存在的證據，也可能有中性氧和有機化合物甲烷；之後更以特大望遠鏡(Very Large Telescope)觀測到一氧化碳的存在。這些間接證據顯示HD189733b有可能有相態變化的情況，相信未來天文學家會嘗試各種不同方法，解答HD189733b是否真的有成雲致雨的現象。

二、OGLE-TR-56b

OGLE-TR-56b是在2002年利用凌日法所發現距離我們非常遙遠的一顆行星，並在2003年的另一次都卜勒徑向速度觀測被證實存在，距離地球約1500 persec。persec (pc)是一個AU的距離對應一個角秒的改變，這種測量方法在天文學上非常實用，因此測量天體常用pc、kpc或Mpc來表示，1pc=3.26光年；這也有助於我們了解其系統大小，由於三角對應關係，距離我們1500pc的天體，其一角秒的角度正好對應1500AU的距離。

圖二、 OGLE-TR56徑向速度因為OGLE-TR-56b的存在而有週期

有趣的是OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiments)原本主要任務是尋找宇宙中的暗物質，想藉由重力透鏡現象(microlensing)尋找看不見的棕矮星(棕矮星是比木星質量更大，但小於太陽質量，無法點燃氫融合反應的星體，但是仍有氘的融合反應)，因為其重力場能讓背景恆星的光度因而短暫上升；此計畫在監控許多恆星光度時，同時發現許多系外行星的候選人，如同OGLE-TR-56b，並且在後續的觀測計畫中被證實。OGLE-TR-56b比多數被發現的系外行星距離地球更遠，距離是通常觀測到的20倍遠，也是首顆被發現在我們周遭獵戶座旋臂(Orion spiral arm)以外的系外行星，該行星位在半人馬座旋臂(Sagittarius arm)。

科學家估計OGLE-TR-56b表面溫度可以高達攝氏1800度，密度大概和土星相似。更令人感興趣的是，OGLE-TR-56b的上層大氣溫度推估正好可以讓雲生成，但是生成的雲可不是由水蒸氣或甲烷等我們太陽系內就能觀測到的現象，而是由鐵或三氧化二鋁所構成！在2003年就有天文學家觀測到棕矮星上有鐵元素所造成的成雲降水的相關證據。OGLE-TR-56b這顆距離極近母恆星的行星，被認為很有可能擁有這種獨特的『天氣現象』，其中又以鐵所造成的雲層被認為最有可能，因此在2003史密松天文台Sasselov的文章中，推估這顆行星可能有相對較低的反照率。

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參考資料

1. Evans, T. M. et al. Astrophys. J. in the press (2013).
2. K. Poppenhaeger, Transit observations of the Hot Jupiter HD 189733b at X-ray wavelengths, Astrophysical Journal (2013)
3. http://www.astrobio.net/pressrelease/352/new-world-of-iron-rain
4. DIMITAR D. SASSELOV, THE NEW TRANSITING PLANET OGLE-TR-56b: ORBIT AND ATMOSPHERE, Astrophysical Journal, 596:1327-1331, 2003
5. Wikipedia