位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室的研究人员正在地球上烹饪“外星人”大气层。 在一项新研究中，JPL研究人员使用高温“烤箱”将氢气和一氧化碳的混合物加热到1摄氏度（100华氏度）以上，该温度与熔岩的温度相等。 目的是模拟一种可能被称为“热木星”的特殊类型的系外行星（太阳系外的行星）的大气中发现的条件。

木星=太空巨人

炽热的木星是绕行的天然气巨人，与我们太阳系的行星非常不一样，它们非常接近其母恒星。 地球绕太阳公转365天，而热木星则在不到10天的时间内公转恒星。 与恒星的距离很短，这意味着它们的温度可以达到530至2°C（800至1°F）甚至更高。 相比之下，水星表面炎热的一天（在000天内绕太阳公转）达到约5°C（000°F）的温度。

JPL首席科学家Murthy Gudipati是上个月发表在《天体物理学杂志》上的一项新研究的小组负责人，他说：

“不可能对这些系外行星的恶劣环境进行精确的实验室模拟，但我们可以非常精确地模拟它。”

该团队从主要由氢气和0,3％一氧化碳气体组成的简单化学混合物开始。 这些分子在太空和早期太阳系中非常普遍，因此可以从逻辑上形成热木星的大气层。 然后将混合物加热至330至1°C（230至620°F）。

科学家还将这种实验室混合物暴露于高剂量的紫外线辐射下-类似于可能影响其母恒星附近的热木星轨道的方法。 紫外线已被证明是一种有效成分。 他的工作极大地促进了有关可能在热空气中发生的化学现象的研究令人惊讶的结果。

热木星

热木星被认为是大型行星，比冷木星发射的光更多。 这些因素使天文学家比大多数其他类型的系外行星获得更多有关其大气的信息。 观测结果表明，在高温下，许多炎热的木星大气是不透明的。 尽管不透明可以部分被云证明是合理的，但是随着压力的降低，该理论失去了有效性。 即使在大气压非常低的地方也观察到不透明。

右图中的小蓝宝石圆盘显示了高温炉内部形成的有机气溶胶。 左侧的光盘尚未使用。 图片来源：NASA / JPL-Caltech

因此，科学家一直在寻找其他可能的解释，其中之一可能是气溶胶-大气中包含的固体颗粒。 但是，据JPL研究人员称，科学家们不知道如何在木星的高温大气中形成气溶胶。 当热的化学混合物暴露在紫外线辐射下时，只能在新的实验中对此进行模仿。

JPL研究的首席研究员本杰明·弗勒里（Benjamin Fleury）

“这一结果改变了我们解释木星薄雾笼罩的炎热气氛的方式。 将来我们要研究这些气溶胶的特性。 我们希望更好地了解它们是如何形成的，如何吸收光以及如何对环境变化做出反应。 所有这些信息可以帮助天文学家了解他们观察这些行星时所看到的东西。 ”

发现水蒸气

该研究还带来了另一个惊喜：化学反应产生了大量的二氧化碳和水。 在木星的高温大气中发现了水蒸气，而科学家们预计只有在氧比碳多的情况下才会形成这种稀有分子。 一项新的研究表明，即使碳和氧的比例相等，也会形成水。 （一氧化碳包含一个碳原子和一个氧原子。）虽然生成二氧化碳（一个碳原子和两个氧原子）时没有额外的紫外线辐射，但通过添加模拟恒星光，反应得以加快。

JPL系外行星研究人员和该研究的合著者Mark Swain说：

“这些新结果可立即用于解释我们在木星炎热的气氛中看到的东西。 我们假设在这些大气中，化学反应受温度的影响最大，但是现在事实证明，我们还需要研究辐射的作用。”

借助准备在2021年发射的下一代仪器（例如NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜），科学家们可以创建出行星外大气的第一个详细化学分布图。 而且有可能其中第一个是围绕热木星的行星。 这些研究将帮助科学家了解其他太阳系是如何形成的，以及它们与我们的太阳系有何相似或不同。

JPL研究人员的工作才刚刚开始。 与典型的熔炉不同，该熔炉是气密的，以防止气体泄漏或污染，从而使科学家可以在温度升高时控制其压力。 使用此设备，他们现在可以在高达1600°C（3000°F）的更高温度下模拟系外行星大气。

JPL研究的合著者Bryana Henderson

“成功设计和运行该系统一直是一个挑战。 这是因为大多数标准组件（例如玻璃或铝）都在如此高的温度下熔化。 我们一直在学习如何突破界限，同时在实验室中安全地模拟这些化学过程。 最后，这些实验带来的令人兴奋的结果值得所有额外的工作和精力。”