NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了前所未见的系外行星大气

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜刚刚取得了另一个第一:一个遥远世界天空的分子和化学概况。

尽管韦伯和其他太空望远镜,包括NASA的哈勃望远镜和斯皮策望远镜,此前已经揭示了这颗炙烤星球大气层的孤立成分,但韦伯的新读数提供了一整套数据,包括原子、分子,甚至还有活跃化学和云层的迹象。

最新的数据也暗示了这些云层在近距离观察时的样子::它们是分散的,而不是单一的、统一的覆盖在行星上。

该望远镜的高灵敏度仪器阵列对准了WASP-39 b的大气层,这是一颗 “热土星”(质量与土星差不多,但轨道比水星更紧),围绕一颗距离地球大约700光年远的恒星运行。

这些发现预示着韦布的仪器将有能力对科学界所希望的所有类型的系外行星(围绕其他恒星公转的行星)进行广泛的研究。这包括探测TRAPPIST-1系统中较小的岩质行星的大气层。

“我们用多台仪器观测了这颗系外行星,这些仪器一起提供了在[这次任务]之前无法获得的广泛的红外光谱和一整套化学指纹。”加州大学圣克鲁斯分校的天文学家娜塔莉·巴塔哈说。“像这样的数据会改变游戏规则。”

这一系列的发现详细记载在五篇新的科学论文中,其中三篇已经出版,两篇正在评审中。在这些前所未有的发现中,有一项是首次在系外行星大气中检测到二氧化硫(SO2), SO2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,上层大气中具有保护作用的臭氧层也是以类似的方式形成。

“这是我们第一次在系外行星上看到光化学的具体证据——由高能恒星光引发的化学反应,”英国牛津大学研究员、解释WASP-39b大气中二氧化硫来源的论文的主要作者尚敏·蔡说。“我认为这是一个非常有希望的前景,可以通过[这个任务]推进我们对系外行星大气的理解。”

这又带来了另一个第一次:科学家将光化学的计算机模型应用于需要充分解释这种物理现象的数据。由此产生的建模改进将有助于建立技术诀窍,以解释未来潜在的宜居迹象。

“行星在主恒星的辐射浴中运行,从而被塑造和改造。”巴塔哈说。“在地球上,这些转变使生命得以繁衍。”

这颗行星与其主星的距离比水星到我们太阳的距离近8倍,这也使其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,将有助于更深入地了解这些过程如何影响星系中观测到的行星的多样性。

为了观察WASP-39 b发出的光,韦伯跟踪了这颗行星从其恒星前面经过的过程,让恒星的一些光穿透行星的大气层。大气中不同类型的化学物质会吸收不同颜色的星光光谱,所以缺少的颜色可以告诉天文学家存在哪些分子。通过在红外光下观察宇宙,韦伯可以提取在可见光中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(H2O),证实了之前的太空和地面望远镜观测结果,并发现了以前从未见过的更长波长的水指纹。

韦伯还以更高的分辨率观测到了二氧化碳(CO2),提供的数据是之前观测报告的两倍。同时,韦伯数据中检测到了一氧化碳(CO),但韦伯数据中没有甲烷(CH4)和硫化氢(H2S)的明显特征。如果存在的话,这些分子的含量也非常低。

为了捕捉WASP-39b大气的这一广阔光谱,一个数百人的国际团队独立分析了韦伯望远镜四种精确校准仪器模式的数据。

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了热气体巨型系外行星WASP-39b的大气成分。该图显示了韦伯的三台仪器在四种仪器模式下的四个透射光谱。在左上方,NIRISS的数据显示了钾(K)、水(H2O)和一氧化碳(CO)的指纹。在右上方,NIRCam的数据显示了一个明显的水信号。在左下方,NIRSpec的数据显示水、二氧化硫(SO2)、二氧化碳(CO2)和一氧化碳(CO)。在右下方,额外的NIRSpec数据显示了所有这些分子以及钠(Na)。
影像来源:NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

英国布里斯托大学研究系外行星大气的天体物理学家汉娜·韦克福德说:“我们已经预测了(望远镜)将向我们展示什么,但它比我实际认为的更精确、更多样、更美丽。”

在系外行星的大气中拥有如此完整的化学成分表,也让科学家得以了解不同元素之间的丰度关系,如碳氧比或钾氧比。这反过来又为我们提供了洞察这颗行星——或许还有其他行星——是如何在其年轻时期从环绕母星的气体和尘埃盘中形成。

WASP-39b的化学物质清单表明,一段被称为星子的较小天体相互碰撞和合并的历史,最终形成了一个巨大的行星。

“硫(相对于氢)的丰度表明,这颗行星可能经历了大量的星子吸积,这些星子可以将这些成分输送到大气中。”加州大学圣克鲁斯分校研究韦伯数据的系外行星研究员大野一正表示。“数据还表明,大气中的氧比碳丰富得多。这可能表明WASP-39b最初形成于远离中心恒星的地方。”

通过如此精确地解析系外行星的大气层,韦伯望远镜的仪器表现远远超出了科学家的预期,并预示着在星系中各种系外行星的探索进入了一个新阶段。

“我们将能够看到系外行星大气的全貌。”康奈尔大学研究员、国际团队成员劳拉·弗拉格说。“知道一切都将被改写,这是令人难以置信的兴奋。这是成为科学家的最大好处之一。”

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。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-reveals-an-exoplanet-atmosphere-as-never-seen-before

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