JWST探测到附近系外行星大气中的水蒸气、二氧化硫和沙云

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艺术家对WASP-107b及其母星的印象。鸣谢:插图:比利时卢卡艺术学院/ Klaas Verpoest(视觉)，Johan Van Looveren(排版)。科学:Achrène Dyrek(法国CEA和巴黎城市大学)、Michiel Min(荷兰SRON)、岳翎·德辛(比利时鲁汶大学)/欧洲MIRI·EXO GTO小组/欧空局/美国国家航空航天局

（）据库·鲁汶：由鲁汶大学天文研究所的研究人员共同领导的一个欧洲天文学家小组，利用詹姆斯·韦伯太空望远镜最近的观测结果，研究了附近系外行星WASP-107b的大气。通过深入WASP-107b蓬松的大气层，他们不仅发现了水蒸气和二氧化硫，甚至还发现了硅酸盐沙云。这些粒子存在于动态大气中，表现出物质的剧烈运动。

世界各地的天文学家正在利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)上的中红外仪器(MIRI)的先进功能，对系外行星进行突破性的观测，系外行星是指围绕除我们太阳以外的恒星运行的行星。这些迷人的世界之一是WASP-107b，这是一颗独特的气态系外行星，围绕一颗比我们的太阳略冷、质量略小的恒星运行。

这颗行星的质量与海王星相似，但它的大小比海王星大得多，几乎接近木星的大小。与我们太阳系中的气态巨行星相比，这一特性使得WASP-107b显得相当“蓬松”。这颗系外行星的松散性使天文学家能够对其大气层进行大约50倍于像木星这样的太阳系巨行星的探测深度。

欧洲天文学家团队充分利用了这颗系外行星非凡的松散性，使他们能够深入观察其大气层。这个机会打开了一扇揭开其大气复杂化学成分的窗户。

这背后的原因很简单:信号或光谱特征在密度较低的大气中比在密度较高的大气中更明显。他们最近的研究现已发表在《自然》杂志上，揭示了水蒸气、二氧化硫(SO2)和硅酸盐云的存在，但值得注意的是，没有温室气体甲烷(CH4)的痕迹。

活跃的气氛

这些探测为这颗迷人的系外行星的动力学和化学提供了至关重要的见解。首先，甲烷的缺乏暗示着潜在的温暖内部，提供了一个诱人的窥视行星大气中热能运动的机会。其次，二氧化硫(因燃烧过的火柴的气味而闻名)的发现是一个重大惊喜。

以前的模型预测它不存在，但WASP-107b大气的新气候模型现在显示WASP-107b的非常蓬松性适应了其大气中二氧化硫的形成。尽管由于其较冷的性质，其宿主恒星发射的高能光子相对较少，但由于其蓬松的性质，这些光子可以深入到行星的大气层中。这使得产生二氧化硫所需的化学反应能够发生。



JWST上的中红外仪器(MIRI)的低分辨率光谱仪(LRS)捕捉到了温暖的海王星系外行星WASP-107b的透射光谱，揭示了该行星大气中水蒸气、二氧化硫和硅酸盐(沙子)云的证据。鸣谢:Michiel Min /欧洲MIRI EXO GTO团队/欧空局/美国国家航空航天局

但这还不是他们观察到的全部。与无云情况相比，二氧化硫和水蒸气的光谱特征明显减弱。高空云层部分遮挡了大气中的水蒸气和二氧化硫。

虽然已经在其他系外行星上推断出了云，但这标志着天文学家首次能够明确确定这些云的化学成分。在这种情况下，云由小硅酸盐颗粒组成，这是一种人类熟悉的物质，在世界许多地方都可以找到，是沙子的主要成分。

“JWST正在彻底改变系外行星的特征，以惊人的速度提供前所未有的见解，”主要作者，鲁汶大学的岳翎·德辛教授说。“JWST的MIRI仪器在这颗蓬松的系外行星上发现了由沙子、水和二氧化硫组成的云，这是一个关键的里程碑。它重塑了我们对行星形成和演化的理解，为我们自己的太阳系提供了新的线索。”

与水在低温下冻结的地球大气层相反，在温度达到1000摄氏度左右的气态行星中，硅酸盐颗粒可以冻结形成云。然而，在WASP-107b的情况下，外层大气的温度约为500摄氏度，传统模型预测这些硅酸盐云应该在大气更深处形成，那里的温度要高得多。此外，大气中高高的沙云会下雨。那么这些沙云怎么可能存在于高海拔地区并持续存在呢？



一组欧洲天文学家深入WASP-107b蓬松的大气层，不仅发现了水蒸气和二氧化硫，甚至还发现了硅酸盐沙云。鸣谢:插图:比利时卢卡艺术学院/ Klaas Verpoest(视觉)，Johan Van Looveren(排版)。科学:Achrène Dyrek(法国CEA和巴黎城市大学)、Michiel Min(荷兰SRON)、岳翎·德辛(比利时鲁汶大学)/欧洲MIRI·EXO GTO小组/欧空局/美国国家航空航天局

根据主要作者Michiel Min博士的说法，“我们在高空大气中看到这些沙云的事实必然意味着沙雨滴在更深、更热的层中蒸发，由此产生的硅酸盐蒸汽有效地向上移动，在那里它们再次凝结形成硅酸盐云。这与我们地球上的水蒸气和云的循环非常相似，但水滴是由沙子组成的。”

这种通过垂直传输的升华和冷凝的连续循环是WASP-107b大气中沙云持久存在的原因。

这项开创性的研究不仅揭示了WASP-107b的奇异世界，还拓展了我们对系外行星大气的理解。它标志着系外行星探索中的一个重要里程碑，揭示了这些遥远世界中化学物质和气候条件的复杂相互作用。

“JWST能够对太阳系中没有对应行星的系外行星进行深层大气表征，我们正在揭开新的世界，”CEA Paris的主要作者Achrène Dyrek博士说。

MIRI仪器的设计与开发

比利时工程师和科学家在MIRI仪器的设计和开发中发挥了关键作用，包括CSL的列日空间中心、Thales Alenia Space (Charleroi)和OIP传感器系统(Oudenaarde)。在鲁汶大学天文学研究所，仪器科学家在模拟英国美国国家航空航天局·戈达德和美国国家航空航天局·约翰逊航天中心实验室空间环境的特殊试验箱中广泛测试了MIRI仪器。

“近20年来，我们一直在与欧洲和美国的同事一起建造和测试MIRI仪器。“很高兴看到我们的仪器揭示了这颗迷人的系外行星的大气层，”鲁汶大学的仪器专家巴特·范登布舍博士说。

德国马普学会fu?r天文研究所的Jeroen Bouwman博士说:“这项研究综合了JWST观测的几项独立分析的结果，不仅代表了多年来在建造MIRI仪器方面投入的工作，也代表了在为MIRI获得的观测数据校准和分析工具方面投入的工作。