密歇根州立大学、亚利桑那州立大学和劳伦斯-利弗莫尔国家实验室之间的突破性合作正在揭开行星形成的秘密。利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）和先进的计算模型，KRONOS计划正在分析年轻系外行星的大气层，其中一些行星仅仅与恐龙世代一样古老。 通过研究星光如何与行星大气相互作用，科学家们希望能够拼凑出这些遥远世界的起源--或许还能发现有利于生命存在的条件。

艺术家构想的系外行星K2-33b，一颗10 Myr木星大小的行星，在其活跃的主星前方凌日。 该系统与 KRONOS 合作项目将观测到的系统类似。 资料来源：NASA/JPL-Caltech

长期以来，天文学家一直试图回答一个基本问题："行星是如何形成的？ 现在，密歇根州立大学、亚利桑那州立大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室开展了一项新的合作，旨在利用先进的望远镜和高能计算揭开这个谜团。

该研究小组已经在詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）上工作了154个小时，研究太阳系外七颗系外行星（太阳系以外的行星）的大气层，这些行星形成于不到3亿年前，大约与恐龙在地球上行走的时间相同。 除了JWST的观测之外，该团队还将在KRONOS计划下利用劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）的超级计算机开发详细的大气模型。 这些模型可以为了解行星如何形成、演化以及它们是否可能支持有利于生命的条件提供重要的见解。

KRONOS项目联合首席研究员阿迪娜-费恩斯坦（Adina Feinstein）是NASA 萨根研究员，同时也是MSU的助理教授，她说："了解不同年龄行星大气的成分仍然是一个巨大的未知数，因为这些行星很难发现，更难表征。凭借JWST上的精度和仪器，我们很高兴能够开始直接解决有关本命行星长什么样的问题。"

作为美国国家航空航天局、欧洲航天局和加拿大航天局的一项联合任务，JWST已经运行了三年。 银河系中的行星数量多达 6000 颗，而且还在不断增加，很显然，行星的形成是无处不在的。 然而，关于行星形成过程的细节仍然难以捉摸。 找出答案的一种方法是观测不同年龄的行星，尤其是年龄小于 3 亿岁的年轻系外行星，因为它们会经过它们的主恒星。

在这个过程中，部分星光会穿过行星的大气层，水或二氧化碳等分子会吸收部分光线。 科学家们用不同的波长观测系外行星的凌日，探究它们是如何吸收光线的，从而揭示系外行星大气层的成分。

计算遥远世界的秘密

通过使用物理学驱动的大气模型，天文学家可以探索系外行星的成分，并将其与行星形成和演化理论联系起来。 问题是这些模型的计算成本很高。 为了解决这个问题，KRONOS 团队通过 LLNL 计算大挑战计划赢得了 2200 万小时的计算时间。 该计划为 LLNL 科学家提供了大量的机构计算资源，用于开展前沿研究。

KRONOS 创建的模型将用于了解各种系外行星大气的成分。 这反过来又可以用来了解行星是如何形成的。

"我们正在采取一些初步措施来探测年轻的系外行星大气--这是一个在很大程度上不为人知的群体。 通过我们的战略合作伙伴关系，我们将挑战模型和数据的极限，寻找对行星大气及其主星的新见解，"KRONOS 的联合首席研究员路易斯-韦尔班克斯（Luis Welbanks）说，他是 51 Pegasi b 研究员，也是亚利桑那州立大学的新任助理教授。"我们的研究结果将揭示塑造这些遥远世界的物理和化学过程，为未来的理论和观测研究提供指导。"

扩大范围： 从七大行星到七十颗行星

除了KRONOS正在研究的七大行星之外，研究小组还将为JWST观测到的所有70颗系外行星生成模型。

LLNL 首席研究员彼得-麦吉尔（Peter McGill）说："对如此大样本的行星--从比木星质量更大的炙热世界，到温带行星和小地球质量行星--进行统一建模的工作还从未有过。只有利用 LLNL 世界一流的高性能计算平台才能真正完成这项任务。"

一旦完成，该团队开发的大气模型将向天文学界公开。 其目的是鼓励开放式合作科学，并对该领域产生持久影响。

编译自/ScitechDaily