热木星是一类在太阳系里没有对应体的系外行星，其质量跟木星差不多或者更小，半径通常比木星要大。由于离宿主恒星的距离还不到水星与太阳距离的四分之一，基本处于潮汐锁定状态，这类系外行星的向阳面受到了高强度的恒星辐照，温度通常超过1000K，有的甚至能达到小质量恒星的温度。2019年诺贝尔物理学奖表彰的25年前发现的第一颗类太阳恒星周围的系外行星正是热木星。热木星尺寸大、温度高，能形成幅度显著的光谱特征，非常有利于开展行星大气的化学组成、温度结构和动力学特征的观测研究。这类行星如何形成以及是否能为行星形成演化提供更普遍的线索，是亟待回答的重要科学问题。近年来的研究发现，云霾在热木星大气中广泛存在，并严重影响了人们对热木星大气特性的反演。寻找云霾影响较小的热木星，将有助于更加细致全面的大气刻画。

　　近期，中国科学院紫金山天文台陈果副研究员与西班牙加纳利天体物理研究所等国外机构同行合作，在搜寻证认热木星大气组分的观测研究中取得重要进展。他们开展了两项工作，分别研究了热木星WASP-52b和热木星WASP-21b。两个行星系统都位于飞马座，它们与地球的距离分别约为570光年（WASP-52）和850光年（WASP-21）。两颗热木星的平衡温度都在1300K左右，属于经典热木星，区别于平衡温度一般在2000K以上的超高温热木星。WASP-52b略大一些，其半径和质量分别是木星的1.25倍和0.43倍，先前的研究显示其大气存在高空云层。WASP-21b更像是一个虚胖的土星，其半径和质量分别是木星的1.16倍和0.28倍，对该热木星大气组分的研究属国际首次。

图1. 两颗热木星与木星和地球的尺寸对比示意图。

　　研究人员使用位于智利的8.2米口径甚大望远镜的超稳定高分辨率光谱仪ESPRESSO观测了WASP-52b的凌星现象。凌星期间，穿透行星大气的恒星光会叠加上来自行星大气组分的额外吸收。研究人员通过分析透射光谱，发现在589纳米附近的钠共振双线、770纳米附近的钾线在行星凌星时产生了额外的吸收特征。该额外吸收光谱特征的视向速度是变化的，与行星公转轨道产生的视向速度变化高度吻合，从而由此确认了行星大气中存在钠、钾原子。研究人员还发现行星大气中的氢原子在656纳米附近的H-alpha线也产生了额外吸收，这是首次在经典热木星的大气中测得H-alpha线的视向速度变化，其产生机制与超高温热木星不同，很可能与恒星活动的激发相关。因此，WASP-52b将成为研究热木星高层大气加热冷却过程的极佳对象。

图2. （a）热木星WASP-52b的高分辨率透射光谱。（b）钠线、氢线、钾线的视向速度变化，斜点线显示的是行星轨道的视向速度变化，水平虚线标记了凌星时段。(Chen et al. 2020a)

　　研究人员使用位于西班牙的10.4米口径大加纳利望远镜和3.6米口径伽利略国家望远镜观测了WASP-21b的凌星现象，前者使用的是低分辨率光谱设备OSIRIS，后者使用的是高分辨率光谱设备HARPS-N。低分辨率透射光谱对于确定行星的参考半径和限定大气的参考压强非常重要。研究人员发现WASP-21b的低分辨率透射光谱在钠原子吸收线线翼有明显的压力致宽特征。碱金属原子的压力致宽线翼是晴空存在的标志，表明凌星时恒星光曾穿透压强较高的较深层行星大气，这意味着WASP-21b的大气有显著的无云霾区域。研究人员又利用高分辨率透射光谱分辨出了钠原子共振双线的近线心谱线轮廓，测量了线心视向速度的变化，确认对应信号来自于行星大气，并揭示其高层大气可能存在从阳面吹向夜面、大约1.6公里每秒的行星风。WASP-21b是自WASP-96b、WASP-127b、XO-2b之后第4颗呈现显著压力致宽特征的热木星，也是首颗通过视向速度变化确认压力致宽示踪原子的热木星，预期将会成为重要的系外行星大气研究对象。

图3. （a）热木星WASP-21b的低分辨率透射光谱。（b）聚焦于钠共振双线和氢H-alpha线的高分辨率透射光谱。（c）钠线和氢线的视向速度变化，注意氢线并未探测到。（Chen et al. 2020b）

　　上述结果已发表在《天文与天体物理》杂志(Astronomy & Astrophysics)。相关工作得到了中国科学院B类先导专项（XDB41000000）、江苏省自然科学基金、紫金山天文台小行星基金会和中国科学院行星科学重点实验室等的资助。

　　论文链接：

　　1. https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/03/aa36986-19/aa36986-19.html

　　2. https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2020/10/aa38661-20/aa38661-20.html