美国宇航局的韦伯揭示了前所未有的系外行星大气层

在涅诒

美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜探测到遥远世界天空的分子和化学反应。
虽然韦伯和其他太空望远镜，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行星大气层的化学成分，但韦伯新的读数提供了原子、分子甚至活泼的化学元素和云层迹象。
最新数据还暗示了该行星的大气层可能会破碎，而不是地球上的单一、均匀的毯子。
该望远镜的一系列高灵敏度仪器对WASP-39 b的大气层进行了探测，WASP-39 b是一颗“热土星”（一颗与土星一样大但轨道比水星更紧的行星），围绕一颗大约700光年外的恒星运行。
这些发现预示着韦伯仪器有对科学界希望的所有类型的系外行星（其他恒星周围的行星）进行广泛调查的能力。
这包括探索像TRAPPIST-1系统中那样的较小、多岩石行星的大气层。
加州大学圣克鲁斯分校天文学家Natalie Batalha说：“我们用多种仪器观测了这颗系外行星，这些仪器共同提供了广阔的红外光谱和一连环化学反应，像这样的数据改变了以往的认知。”
这套发现在五篇新的科学论文中进行了详细说明，其中三篇已出版中，两篇正在审查中。
这是前所未有的发现，韦伯首次在系外行星大气中检测到二氧化硫（SO2），二氧化硫（SO2）是由行星母星的高能光引发的化学反应产生的分子。在地球上，高层大气中的臭氧保护层就是以类似的方式产生的。
英国牛津大学研究员、解释WASP-39 b大气中二氧化硫起源论文的主要作者Shang-Min Tsai说：“这是我们第一次在系外行星上看到光化学反应的证据。我认为这是一个非常有希望的开始，可以通过此任务提高我们对系外行星大气层的理解。”
这也导致了另一个第一次：科学家将光化学的计算机模型应用于需要充分解释此类物理的数据。由此产生的建模改进将有助于技术的提升，以解释未来潜在的宜居现象
Batalha说：“行星是通过在宿主恒星的辐射浴中而转变形成的。在地球上，这些转变让生命茁壮成长。”
这颗行星靠近宿主恒星——比水星离太阳的距离要近八倍——这也使其成为研究宿主恒星辐射对系外行星影响的良好实验室。能更好地了解恒星和行星之间的连接可以更深入地了解这些过程如何影响银河系中观测到行星的多样性。
为了看到来自WASP-39 b的光线，韦伯在行星经过恒星的前方实时跟踪了这颗行星，使得恒星的一些光线透过行星的大气层过滤。大气中不同类型的化学物质吸收不同颜色的星光光谱，因此缺失的颜色告诉天文学家存在哪些化学分子。通过在红外线下观察宇宙，韦伯可以取得可见光无法检测到的化学元素。
韦伯望远镜检测到的其他大气成分包括钠（Na）、钾（K）和水蒸气（H2O），证实了之前的太空和地面望远镜观测，并在这些更长的波长下发现了以前从未见过的其他元素。
韦伯还看到了更高分辨率的二氧化碳（CO2），提供的数据是其之前观测报告的数据的两倍。同时，检测到一氧化碳（CO），但韦伯数据中没有甲烷（CH4）和硫化氢（H2S）的明显特征。如果存在，这些分子的含量会非常低。
为了捕捉WASP-39 b的广泛大气层，一个数以数百计的国际团队独立分析了韦伯望远镜四种精细校准仪器模式的数据。


美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了热气巨星系外行星WASP-39 b的大气成分。这张图表显示了韦伯三种仪器在四种仪器模式下运行的四个传输光谱。
在左上角，来自NIRISS的数据显示了钾（K）、水（H2O）和一氧化碳（CO）的元素。
在右上角，来自NIRCam的数据显示了一个突出的水特征。
在左下角，NIRSpec的数据显示水、二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）和一氧化碳（CO）。
在右下角，NIRSpec数据揭示了所有这些分子以及钠（Na）。
在系外行星大气中拥有如此完整的化学成分名册，也让科学家可以瞥见彼此之间不同的元素的丰富度，例如碳氧或钾氧比。这反过来又让人们深入了解了这颗行星，也许还有其他行星是如何从母星年轻时围绕的气体和尘埃盘形成的。
WASP-39 b的化学单表明，被称为微行星的较小天体的粉碎和合并的过程，从而创造出行星。
研究韦伯数据的加州大学圣克鲁斯分校系外行星研究员Kazumasa Ohno说：“硫（相对于）氢的丰富表明，这颗行星可能经历了大量吸积，可以将这些成分输送到大气层。”“数据还表明，氧气比大气中的碳丰富得多。这可能表明，WASP-39 b最初形成于远离中心恒星的地方。”
在解析系外行星大气层时，韦伯望远镜的仪器的表现远远超出了科学家的预期，银河系各种系外行星进入一个新的探索阶段。
康奈尔大学研究员、国际团队成员劳拉·弗拉格说：“我们将能够看到系外行星大气层的大体部分，并且知道知道一切都将会被改写，真是太令人兴奋了。这是成为一名科学家最美妙的部分之一。”