韦伯揭示了前所未见的系外行星大气层

  美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜刚刚取得了另一个第一：遥远世界天空的分子和化学概况。

虽然韦伯望远镜和其他太空望远镜，包括美国宇航局的哈勃望远镜和斯皮策望远镜，之前已经揭示了这颗炙热行星大气层的孤立成分，但韦伯望远镜的新读数提供了原子、分子的完整菜单，甚至是活跃化学和云的迹象。

最新数据还暗示了这些云在近距离观察时的样子：破碎而不是单一、均匀地覆盖在地球上。

望远镜的高灵敏度仪器阵列是在 WASP-39 b 的大气层上训练的，WASP-39 b 是一颗“热土星”（一颗质量与土星相当但轨道比水星更近的行星），绕着一颗大约 700 光年外的恒星运行。

这些发现预示着韦伯仪器能够对科学界所希望的所有类型的系外行星——围绕其他恒星运行的行星——进行广泛调查的能力。这包括探测像 TRAPPIST-1 系统中的那些较小的岩石行星的大气层。

“我们用多种仪器观察了这颗系外行星，这些仪器共同提供了广泛的红外光谱和一整套化学指纹，直到 [这次任务] 才能获得，”加州大学圣克鲁兹分校的天文学家 Natalie Batalha 说。贡献并帮助协调新的研究。“像这样的数据改变了游戏规则。”

这一系列发现在一组五篇新的科学论文中进行了详细描述，其中三篇正在出版中，另外两篇正在审查中。在史无前例的发现中，首次在系外行星大气层中检测到二氧化硫 (SO 2 )，这是一种由来自行星母星的高能光引发的化学反应产生的分子。在地球上，高层大气中的保护性臭氧层是以类似的方式产生的。

“这是我们第一次在系外行星上看到光化学——由高能恒星光引发的化学反应——的具体证据，”英国牛津大学研究员、该论文的第一作者蔡尚民说。 WASP-39 b 大气层中二氧化硫的来源。“我认为这是一个非常有希望的前景，可以通过 [this mission] 推进我们对系外行星大气层的理解。”

这导致了另一个第一：科学家将光化学计算机模型应用于需要充分解释此类物理学的数据。由此产生的建模改进将有助于建立技术知识，以解释未来可居住性的潜在迹象。

巴塔利亚说：“行星通过在主恒星的辐射浴中运行而被雕刻和变形。” “在地球上，这些转变让生命茁壮成长。”

这颗行星离它的主星很近——比水星离我们的太阳近八倍——也使它成为研究主星辐射对系外行星影响的实验室。更好地了解恒星与行星之间的联系，应该可以更深入地了解这些过程如何影响在银河系中观察到的行星的多样性。

为了观察 WASP-39 b 发出的光，韦伯跟踪了行星经过其恒星前方的情况，让部分恒星的光透过行星的大气层。大气中不同类型的化学物质吸收星光光谱的不同颜色，因此缺失的颜色告诉天文学家存在哪些分子。通过在红外线下观察宇宙，韦伯可以拾取在可见光下无法检测到的化学指纹。

韦伯望远镜探测到的其他大气成分包括钠 (Na)、钾 (K) 和水蒸气 (H 2 O)，证实了之前的太空和地面望远镜观测结果，并在这些较长波长下发现了水的其他指纹，这是以前没有见过的。

韦伯还以更高分辨率观测了二氧化碳 (CO2 ) ，提供的数据是之前观测报告的两倍。同时，检测到一氧化碳 (CO)，但韦伯数据中没有明显的甲烷 (CH 4 ) 和硫化氢 (H 2 S) 特征。如果存在，这些分子的含量非常低。

为了捕捉 WASP-39 b 大气层的广泛光谱，一个数百人的国际团队独立分析了来自韦伯望远镜的四种精密校准仪器模式的数据。

一张名为“热气巨系外行星 Wasp-39 B 大气成分”的信息图显示了韦伯不同仪器的四张图。
NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了热气态巨系外行星 WASP-39 b 的大气成分。该图显示了在四种仪器模式下操作的三台 Webb 仪器的四个透射光谱。在左上角，来自 NIRISS 的数据显示了钾 (K)、水 (H2O) 和一氧化碳 (CO) 的指纹图谱。在右上角，来自 NIRCam 的数据显示出明显的水特征。在左下方，来自 NIRSpec 的数据显示了水、二氧化硫 (SO2)、二氧化碳 (CO2) 和一氧化碳 (CO)。在右下方，额外的 NIRSpec 数据揭示了所有这些分子以及钠 (Na)。
致谢：NASA、ESA、CSA、J. Olmsted (STScI)
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“我们曾预测 [望远镜] 会向我们展示什么，但它比我实际认为的更精确、更多样化、更美丽，”英国布里斯托尔大学的天体物理学家汉娜·韦克福德说。调查系外行星大气层。

在系外行星大气层中拥有如此完整的化学成分名册，也让科学家们得以瞥见不同元素之间的丰度，例如碳氧比或钾氧比。这反过来又让我们深入了解这颗行星——也许还有其他行星——是如何在年轻时由围绕在母星周围的气体和尘埃盘形成的。

WASP-39 b 的化学物质清单显示了被称为星子的较小天体粉碎和合并的历史，最终形成了一颗行星的巨人。

“硫 [相对于] 氢的丰度表明，这颗行星可能经历了微行星的显着增生，这些微行星可以将 [这些成分] 输送到大气中，”研究韦伯数据的加州大学圣克鲁兹分校系外行星研究员 Kazumasa Ohno 说。“数据还表明，大气中的氧气比碳丰富得多。这可能表明 WASP-39 b 最初是在远离中心恒星的地方形成的。”

在如此精确地解析系外行星大气层时，韦伯望远镜的仪器表现超出了科学家的预期——并有望在银河系中种类繁多的系外行星中进入一个新的探索阶段。

“我们将能够看到系外行星大气层的全貌，”康奈尔大学研究员、国际团队成员劳拉·弗拉格 (Laura Flagg) 说。“知道一切都将被重写真是令人难以置信的兴奋。这是成为一名科学家最好的部分之一。”

詹姆斯韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。Webb 是由 NASA 及其合作伙伴 ESA（欧洲航天局）和 CSA（加拿大航天局）领导的一项国际计划。