NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜首次捕捉到太阳系外行星大气层中存在二氧化碳的明确证据。观测到一颗气态巨行星围绕着700光年外的类太阳恒星运行,这为了解行星的组成和形成提供了重要的见解。这一发现被《自然》杂志接受发表,为未来韦伯可能能够探测和测量较小岩质行星稀薄大气中的二氧化碳提供了证据。

WASP-39b是一颗热气体巨星,质量约为木星的四分之一(约与土星相同),直径是木星的1.3倍。它的极度膨胀部分与它的高温有关(约1,600℉或900℃)有关。与太阳系中更冷、更紧凑的气态巨行星不同,WASP-39b的轨道非常接近其恒星——只有太阳和水星之间距离的八分之一——在四个地球日内完成了一次公转。2011年报告的这颗行星,是基于地面探测而被发现,这颗行星凌日或经过恒星前方时,其主星发出的光线出现了微妙的周期性变暗。

此前,包括NASA的哈勃和斯皮策太空望远镜在内的其他望远镜观测显示,该行星大气层中存在水蒸气、钠和钾。韦伯无与伦比的红外灵敏度现在也证实了这个星球上存在二氧化碳。

过滤星光

像WASP-39b这样的凌日行星,我们从侧面而不是从上方观察其轨道,可以为研究人员提供探测行星大气的理想机会。

在凌日期间,一些星光完全被行星遮住(导致整体变暗),一些星光则通过行星的大气层传播。

由于不同的气体吸收不同的颜色组合,研究人员可以分析不同波长光谱中透射光的亮度差异,以确定大气的确切成分。WASP-39 b结合了膨胀的大气和频繁的凌日,是透射光谱的理想目标。

韦伯近红外光谱仪(NIRSpec)的一系列光变曲线显示了随着时间的推移,当行星在2022年7月10日凌日时,来自WASP-39恒星系统的三种不同波长(颜色)的光的亮度变化。
影像来源:插图: NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI); 科学分析: The JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team

首次明确检测二氧化碳

研究团队使用韦伯的近红外光谱仪(NIRSpec)对WASP-39b进行观测。在这颗系外行星大气的光谱中,一个4.1到4.6微米的小山丘首次提供了清晰、详细的证据,证明在在太阳系外行星上发现了二氧化碳。

“数据一出现在我的屏幕上,巨大的二氧化碳特征就吸引了我,”约翰·霍普金斯大学研究生、JWST凌日系外行星社区早期发布科学团队团队的成员扎法尔·鲁斯塔姆库洛夫说,该团队进行了这项研究。“这是一个特殊的时刻,跨过了系外行星科学的一个重要门槛。”

以前,没有一个观测站在系外行星透射光谱的3到5.5微米范围内测量到如此多的单个颜色亮度的细微差异。获取光谱的这一部分对于测量水、甲烷和二氧化碳等气体的丰度至关重要,这些气体被认为存在于许多不同类型的系外行星中。

“在WASP-39 b上探测到如此清晰的二氧化碳信号,对于探测较小的类地行星上的大气层来说是个好兆头。”该团队的负责人、加州大学圣克鲁斯分校的纳塔莉·巴塔哈说。

了解行星大气层的组成很重要,因为它能告诉我们行星的起源和演化过程。“二氧化碳分子是行星形成过程中的敏感示踪剂。”该研究小组的另一名成员、亚利桑那州立大学的迈克·莱恩说。“通过测量这一二氧化碳特征,我们可以确定形成这颗气态巨行星使用了多少固态物质和多少气态物质。在未来十年,JWST将对各种行星进行这一测量,从而深入了解行星如何形成的细节,以及我们自己的太阳系的独特性。”

韦伯的近红外光谱仪(NIRSpec)于2022年7月10日捕获了热气体巨系外行星WASP-39b的透射光谱,揭示了太阳系外行星存在二氧化碳的第一个明确证据。这也是迄今为止捕获的第一个详细的系外行星透射光谱,覆盖波长在3到5.5微米之间。
影像来源:插图: NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI); 科学分析: The JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team

早期发布科学计划

对WASP-39b的NIRSpec棱镜观测只是一项更大调查的一部分,该调查包括使用多个韦伯仪器对该行星的观测,以及对其他两颗凌日行星的观测。这项调查是早期发布科学计划的一部分,旨在尽快为系外行星研究界提供强大的韦伯数据。

“我们的目标是快速分析早期发布的科学观测结果,并开发供科学界使用的开源工具。”牛津大学的联合研究员费雯·帕姆提尔解释说。“这使得来自世界各地的贡献成为可能,并确保未来几十年的观测将产生最好的科学成果。”

来自NASA艾姆斯研究中心的论文合著者娜塔莎·巴塔哈补充说,“NASA的开放科学指导原则以我们的早期发布科学工作为中心,支持包容、透明和协作的科学过程。”

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。韦伯是由NASA及其合作伙伴 ESA和CSA领导的一项国际计划。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-webb-detects-carbon-dioxide-in-exoplanet-atmosphere

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