HAT-P-32b行星正在失去大量的大气氦

HAT-P-32b行星正在失去大量的大气氦，其拖尾气体尾部是太阳系外迄今为止已知的最大的行星结构之一。通过近似HAT-P-32A+b系统的轨道平面进行模拟“切片”。图片来源：Zhang等人，Sci。副词。9、eadf8736(2023)。

根据天文学家的观测，这颗名为HAT-P-32b的行星正在失去大量大气中的氦，以至于尾随的气体尾部是迄今为止已知的系外行星(太阳系外的行星)中最大的结构之一。

德克萨斯州高级计算中心(TACC)的Stampede2超级计算机上的三维(3D)模拟根据德克萨斯大学奥斯汀分校麦克唐纳天文台的霍比-埃伯利望远镜的数据帮助模拟了地球大气的流动。

科学家们希望扩大他们的行星观测网并调查另外20个恒星系统，以找到更多失去大气层的行星并了解它们的演化。

“我们通过长时间系列光谱学、几个晚上对恒星和行星的观测来监测这颗行星和主恒星。我们发现有一个巨大的氦气尾巴与这颗行星有关。尾巴很大，大约是行星半径的53倍，是由从行星逸出的气体形成的。”加州大学圣克鲁斯分校天文学与天体物理系博士后张周建说。

张是一项关于从HAT-P32b检测到的氦尾的研究的主要作者，该研究发表在2023年6月的《科学进展》上。科学团队使用了来自宜居行星探测器摄谱仪的数据，这是霍比-埃伯利望远镜上的一种仪器，它提供了近红外波长光的高光谱分辨率。

HAT-P-32b行星是在2011年利用匈牙利制造的自动望远镜网络的光谱数据发现的。它被称为“热木星”，是一颗与我们邻近的行星木星相似的气态巨行星，但半径是木星的两倍。

这颗热木星在轨道上紧紧拥抱着它的主恒星，大约是地球到太阳距离的百分之三。它的轨道周期(我们在地球上认为是一年)只有2.15天，而且与恒星的距离很近，长波和短波辐射都将其烤焦。

科学家们对研究热木星感兴趣的主要动机是他们对海王星沙漠之谜的追求，即轨道周期短的中等质量行星或亚木星的平均相对稀缺性。

“一个可能的解释是，行星可能正在失去质量，”张提出。

“如果我们能够捕捉到正在失去大气层的行星，那么我们就可以研究行星失去质量的速度以及导致其大气层逸出行星的机制是什么。很高兴能有一些例子来看看HAT-P-32b流程的实际应用。”

研究中分析的光线来自恒星HAT-P-32A。它的温度稍高，大小与我们的太阳相似。分析的光不仅仅是直射星光。

当行星经过恒星前方时，在短短几个小时内，星光会被行星的气体大气层过滤最多。这种过滤(称为吸收)揭示了凌日行星的特征，在这种情况下，在分析光谱时会出现大量氦气流出。

张和同事使用一种称为透射光谱的技术将星光分离成其成分频率，就像棱镜将阳光分离成彩虹光谱一样。光谱中的间隙表明光被HAT-P-32b气态气氛中的元素吸收。

“我们在数据中看到的是，当行星经过恒星时，我们看到有更深的氦吸收线。氦气的吸收比我们对恒星大气的预期要强。这种过量的氦气吸收应该是由行星的大气层造成的。当行星凌日时，它的大气层非常巨大，以至于阻挡了吸收氦线的部分大气层，从而导致了这种过量的吸收。这就是我们如何发现HAT-P-32b是一颗有趣的行星的原因，”张说。

当他们在阿姆斯特丹大学安东·潘涅库克天文学研究所的AntonijaOklopčić的领导下开发了HAT-P-32b和主星的3D流体动力学模拟时，事情变得更加有趣;和摩根·麦克劳德(MorganMacLeod)，哈佛大学哈佛-史密森天体物理中心理论与计算研究所。

这些模型研究了太阳系外潮汐引力场中行星流出和恒星风之间的相互作用。

模型显示，行星外流的柱状尾部沿着其轨道路径引导和尾随行星，甚至在远离与观测结果相匹配的中转点的地方也有过量的氦吸收。更重要的是，模型表明大气层在大约4x10e10地球年内完全消失。

“我们利用TACC的Stampede2系统的IntelSkylake节点进行计算，”MacLeod说。

“这项计算涉及跟踪从行星附近缓慢移动的亚音速‘大气层’加速到远离行星时的超音速风的流动。HAT-P-32b系统被确定有一个大规模的外流，其大小与行星围绕恒星的轨道相似。总而言之，这些要求表明需要一种稳定、高精度的算法来求解三维气体动力学。”

建模者利用Athena++流体动力学软件和自定义问题设置在Stampede2上进行计算。

利用它，他们在与行星轨道运动相匹配的旋转参考系中求解气体动力学方程。Athena++是一个欧拉代码——流动是用体积元素离散化的——他们使用网格细化的嵌套层来捕获大规模的恒星-行星系统以及行星表面附近规模小得多的大气层。

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“使用TACCHPC系统是一种乐趣，”MacLeod说。“这涉及到一些事情——首先也是最重要的是支持水平。每当我遇到问题时，我都可以拨打支持热线，获得帮助，然后继续从事我最擅长的科学研究。”

“其次，我的绝大多数时间都花在开发和验证模型结果上，而不是运行单一的全面计算。TACC系统针对这一现实进行了非常完善的设置，并且极大地加快了开发速度。在这些环境中，能够通过开发队列运行测试计算或提交各种大小的较大计算以形成最终的最终模型是至关重要且有效的。”

展望未来，科学家们希望继续开发复杂的3D模型，捕捉诸如大气中的气体混合，甚至是数百、数千光年之外的更遥远世界的大气中的风等影响。

“现在是时候拥有具有计算能力的超级计算机来实现这一目标了，”张说。“我们需要计算机根据最新的技术进步做出预测并解释数据。超级计算机连接了模型和数据。”

“我们能做的最好的事情就是观察夜空，并尝试通过计算机建模重现我们所看到的，”麦克劳德总结道。“我们的宇宙很复杂。这意味着我们需要使用绝对最好的超级计算系统。”