美国国家航空航天局的韦布揭示了前所未有的外行星大气层

美国国家航空航天局的詹姆斯•韦伯太空望远镜刚刚获得了另一个第一：一个遥远世界天空的分子和化学剖面。

虽然韦布和其他太空望远镜，包括美国国家航空航天局的哈勃望远镜和斯皮策望远镜，此前已经揭示了这颗炙烤行星大气层的孤立成分，但韦布的新读数提供了原子、分子，甚至活跃化学和云的迹象的完整菜单。

最新的数据也暗示了这些云在近距离观察时的样子：它们是破碎的，而不是覆盖在地球上的一层均匀的毯子。

该望远镜的一系列高灵敏度仪器是在WASP-39b的大气层上训练的，WASP-39B是一颗“热土星”（质量与土星差不多，但轨道比水星紧），围绕着700光年外的恒星运行。

这些发现预示着韦布的仪器有能力对科学界所希望的所有类型的系外行星——围绕其他恒星的行星——进行广泛的研究。这包括探测像TRAPPIST-1系统中那些较小的岩石行星的大气层。

加州大学圣克鲁斯分校的天文学家Natalie Batalha对这项新研究做出了贡献并帮助协调了这项研究，她说：“我们用多种仪器观测到了这颗系外行星，这些仪器共同提供了广阔的红外光谱和一系列化学指纹，在（这次任务）之前无法获得。”“像这样的数据改变了游戏规则。”

五篇新的科学论文详细介绍了这一系列发现，其中三篇正在出版，两篇正在审查中。在前所未有的发现中，首次在系外行星大气层中检测到二氧化硫（SO2），这是一种由行星母恒星高能光引发的化学反应产生的分子。在地球上，高层大气中的保护臭氧层也是以类似的方式形成的。

“这是我们第一次在系外行星上看到光化学的具体证据，光化学是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大气中二氧化硫起源的论文的主要作者蔡尚敏说。“我认为这是一个非常有希望的前景，可以通过（这次任务）推进我们对系外行星大气层的理解。”

这导致了另一个第一：科学家们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建立技术诀窍，以解释未来宜居性的潜在迹象。

巴塔哈说：“行星是通过在宿主恒星的辐射浴中运行而雕刻和变形的。”“在地球上，这些转变让生命得以繁衍。”

这颗行星与宿主恒星的距离是水星与太阳距离的八倍，这也使它成为研究宿主恒星辐射对系外行星影响的实验室。更好地了解恒星与行星的联系，应该能更深入地了解这些过程如何影响银河系中观测到的行星的多样性。

为了看到来自WASP-39b的光，韦布在行星经过其恒星前方时跟踪了它，使恒星的一些光能够穿过行星的大气层。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分子。通过在红外光中观察宇宙，韦布可以提取出在可见光中无法检测到的化学指纹。

韦布望远镜探测到的其他大气成分包括钠（Na）、钾（K）和水蒸气（H2O），这证实了之前的太空和地面望远镜观测结果，并在这些更长的波长下发现了以前从未见过的额外的水指纹。

韦布还以更高的分辨率观测到了二氧化碳，提供的数据是之前观测报告的两倍。同时，检测到一氧化碳（CO），但Webb数据中没有甲烷（CH4）和硫化氢（H2S）的明显特征。如果存在，这些分子会以非常低的水平出现。

为了捕捉WASP-39b大气层的这一宽光谱，一个数百人的国际团队独立分析了韦布望远镜四种精细校准仪器模式的数据。

美国国家航空航天局的詹姆斯•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Webb的三台仪器在四种仪器模式下运行的四种透射光谱。在左上角，NIRISS的数据显示了钾（K）、水（H2O）和一氧化碳（CO）的指纹。在右上角，NIRCam的数据显示了一个显著的水特征。在左下角，NIRSpec的数据表示水、二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）和一氧化碳（CO）。在右下角，额外的NIRSpec数据显示了所有这些分子以及钠（Na）。

英国布里斯托尔大学研究系外行星大气层的天体物理学家Hannah Wakeford说：“我们预测过（望远镜）会向我们展示什么，但它比我想象的更精确、更多样、更美丽。”

在系外行星大气层中拥有如此完整的化学成分名册，也让科学家们得以一窥不同元素的丰度，例如碳与氧或钾与氧的比例。这反过来又让我们深入了解了这颗行星——也许还有其他行星——是如何在年轻时由母恒星周围的气体和尘埃盘形成的。

WASP-39b的化学物质清单表明，被称为星子的较小天体有着碰撞和合并的历史，最终形成了一颗行星的巨人。

研究韦布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）氢的丰度表明，这颗行星可能经历了星子的大量吸积，这些星子可以将（这些成分）输送到大气中。”“数据还表明，大气中的氧比碳丰富得多。这可能表明WASP-39b最初是在远离中心恒星的地方形成的。”

在如此精确地解析系外行星大气层的过程中，韦布望远镜的仪器表现远远超出了科学家的预期，并有望在银河系中的各种系外行星中进入新的探索阶段。

康奈尔大学研究员、国际团队成员Laura Flagg说：“我们将能够看到系外行星大气层的全貌。”“知道一切都将被改写，真是令人难以置信的兴奋。这是作为一名科学家最棒的部分之一。”

詹姆斯•韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学观测站。韦布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。韦布是由美国国家航空航天局及其合作伙伴欧空局和加拿大航天局领导的一个国际项目。