詹姆斯·韦伯太空望远镜在系外行星WASP

四鬼丫头在

一位艺术家对温暖的系外行星WASP-80 b的渲染，由于缺乏高空云层和美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜发现的大气甲烷的存在，它的颜色在人眼看来可能呈蓝色，类似于我们太阳系的天王星和海王星。图片来源:美国国家航空航天局。

（）据美国国家航空航天局（撒迪厄斯·切萨里）：詹姆斯·韦伯太空望远镜观测了系外行星WASP-80 b，当它经过其主星前后时，揭示了含有甲烷气体和水蒸气的大气光谱。尽管迄今为止已经在十几颗行星上检测到了水蒸气，但直到最近，甲烷——一种在我们太阳系内的木星、土星、天王星和海王星的大气中大量存在的分子——在利用天基光谱研究过境系外行星的大气中仍然难以捉摸。

来自湾区环境研究所(BAERI)的Taylor Bell在加州硅谷的美国国家航空航天局艾姆斯研究中心工作，来自亚利桑那州立大学的Luis Welbanks告诉我们更多关于在系外行星大气中发现甲烷的意义，并讨论了Webb观测如何促进了这种长期以来备受追捧的分子的识别。这些发现最近发表在《自然》杂志上。

“WASP-80 b的温度约为825开尔文(约1025华氏度)，科学家称之为‘温暖的木星’，这些行星的大小和质量与我们太阳系中的木星相似，但温度介于热木星(如1450K(2150 F)的HD 209458 b(发现的第一颗凌日系外行星))和冷木星(如我们的木星，约为125 K (235 F))之间。”

“WASP-80 b每三天绕其红矮星一周，位于天鹰座，距离我们163光年。因为这颗行星离它的恒星如此之近，而两者都离我们如此之远，所以即使是像韦伯这样最先进的望远镜，我们也无法直接看到这颗行星。相反，研究人员使用凌日法(已被用于发现大多数已知的系外行星)和日食法来研究恒星和行星的组合光。

“使用凌日方法，当行星从我们的角度移动到其恒星前面时，我们观察到了该系统，导致我们看到的星光变暗了一点。这有点像有人从一盏灯前走过，灯光变暗。”

“在这段时间里，围绕行星白天/夜晚边界的行星大气层的一个薄环被恒星照亮，在行星大气层中分子吸收光线的某些颜色的光线下，大气层看起来更厚，阻挡了更多的星光，与大气层看起来透明的其他波长相比，导致了更深的变暗。这种方法通过观察哪些颜色的光被阻挡，帮助我们这样的科学家了解行星的大气层是由什么组成的。”

“与此同时，使用日食方法，当行星从我们的角度经过其恒星后面时，我们观察到了该系统，导致我们接收到的总光量再次出现小幅下降。所有物体都会发出一些光，称为热辐射，发出的光的强度和颜色取决于物体的温度。”

“就在日食前后，这颗行星炎热的一面指向我们，通过测量日食期间光线的下降，我们能够测量这颗行星发出的红外光。对于月食光谱，行星大气中分子的吸收通常表现为行星发射的特定波长的光减少。此外，由于这颗行星比它的主星小得多，也冷得多，所以日食的深度比凌日的深度小得多。”



从美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜的NIRCam的无缝光谱模式测量WASP-80 b的过境光谱(上)和日食光谱(下)。在这两种光谱中，有明显的证据表明从水和甲烷中吸收，其贡献用彩色轮廓表示。在凌日期间，行星从恒星前面经过，在凌日光谱中，分子的存在使行星的大气层阻挡了更多特定颜色的光，导致这些波长的光线变暗。在日食期间，行星从恒星后面经过，在这个日食光谱中，分子吸收了行星发出的一些特定颜色的光，导致日食期间的亮度下降比凌日小。图片来源:贝里/美国国家航空航天局/泰勒·贝尔。

“我们最初的观察需要转换成我们称之为光谱的东西；这基本上是一种测量方法，显示不同颜色(或波长)的光有多少被地球大气层阻挡或发射。有许多不同的工具可以将原始观察结果转化为有用的光谱，因此我们使用了两种不同的方法来确保我们的发现对不同的假设具有鲁棒性。”

“接下来，我们使用两种模型来解释这个光谱，以模拟在这种极端条件下行星的大气是什么样子。第一种模型非常灵活，它尝试了数百万种甲烷、水含量和温度的组合，以找到与我们的数据最匹配的组合。第二种类型称为“自洽模型”，也探索了数百万种组合，但使用我们现有的物理和化学知识来确定预期的甲烷和水的水平。”

"两种模型都得出了相同的结论:明确检测到了甲烷."

“为了验证我们的发现，我们使用稳健的统计方法来评估我们检测到随机噪声的概率。在我们的领域，我们认为“黄金标准”是所谓的“5-sigma检测”，这意味着由随机噪声引起的检测概率是170万分之一。与此同时，我们在凌日和月食光谱中都检测到了6.1西格玛的甲烷，这使得每次观测中出现虚假检测的几率为9.42亿分之一，超过了5西格玛的“黄金标准”，增强了我们对两次检测的信心。”

“有了这样一个自信的探测，我们不仅发现了一个非常难以捉摸的分子，而且我们现在可以开始探索这种化学成分告诉我们关于行星的诞生、生长和进化的信息。例如，通过测量行星中甲烷和水的含量，我们可以推断出碳原子和氧原子的比例。”

“这个比例预计会根据行星在其系统中形成的时间和地点而变化。因此，检查这种碳氧比可以提供线索，说明在逐渐向内移动之前，行星是在其恒星附近还是更远的地方形成的。”

“这项发现让我们兴奋的另一件事是，我们终于有机会将太阳系以外的行星与太阳系内的行星进行比较。美国国家航空航天局有向太阳系中的气态巨行星发射宇宙飞船的历史，以测量它们大气层中甲烷和其他分子的含量。现在，通过对系外行星中相同气体的测量，我们可以开始进行‘苹果对苹果’的比较，看看太阳系的预期是否与我们在太阳系外看到的相符。”

“最后，当我们和韦伯一起展望未来的发现时，这个结果告诉我们，我们正处在更令人兴奋的发现的边缘。利用韦伯对WASP-80 b进行的额外的MIRI和NIRCam观测将使我们能够探索不同波长光的大气特性。我们的发现让我们认为，我们将能够观察到一氧化碳和二氧化碳等其他富含碳的分子，使我们能够更全面地描绘这颗行星大气的状况。”

“此外，随着我们在系外行星中发现甲烷和其他气体，我们将继续扩展我们的知识，了解化学和物理如何在不同于地球的条件下发挥作用，也许不久的将来，在其他行星上，我们会想起我们在家里拥有的东西。有一点是明确的——詹姆斯·韦伯太空望远镜的发现之旅充满了潜在的惊喜。”