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韦布发现了水蒸气,但是来自岩石行星还是它的恒星?

这张图显示了韦布对岩石系外行星GJ 486 b的观测所获得的透射光谱。科学团队的分析显示了水蒸气的迹象;然而,计算机模型显示,信号可能来自富含水分的行星大气层(用蓝线表示),也可能来自红矮星宿主恒星的星点(用黄线表示)。这两个模型在较短的红外波长下有明显的差异,这表明需要使用其他韦布仪器进行额外的观测来限制水信号的来源。

宇宙中最常见的恒星是红矮星,这意味着最有可能发现围绕这类恒星运行的岩石系外行星。红矮星很冷,所以行星必须在狭窄的轨道上拥抱它,以保持足够的温度,从而可能容纳液态水(这意味着它位于宜居带)。这类恒星也很活跃,尤其是在它们年轻的时候,会释放紫外线和X射线辐射,从而破坏行星大气层。因此,天文学中一个重要的悬而未决的问题是,一颗岩石行星能否在如此恶劣的环境中维持或重建大气层。

为了帮助回答这个问题,天文学家使用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜研究了一颗名为GJ 486 b的岩石系外行星。它离恒星太近,不在宜居带内,表面温度约为800华氏度(430摄氏度)。然而,他们使用韦布的近红外光谱仪(NIRSpec)进行的观测显示了水蒸气的迹象。如果水蒸气与这颗行星有关,这将表明它有大气层,尽管它的温度很高,而且离恒星很近。以前在气态系外行星上看到过水蒸气,但到目前为止,还没有在岩石系外行星周围明确探测到大气。然而,该团队警告说,水蒸气可能在恒星本身——特别是在凉爽的恒星点——而不是来自行星。

该研究的主要作者、图森亚利桑那大学的Sarah Moran说:“我们看到了一个信号,几乎可以肯定这是由于水造成的。但我们还不能判断水是地球大气层的一部分,这意味着地球有大气层,还是我们只是看到了来自恒星的水信号。”。

该项目的首席研究员、马里兰州劳雷尔市约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的凯文·史蒂文森补充道:“热岩石行星大气中的水蒸气将是系外行星科学的重大突破。但我们必须小心,确保恒星不是罪魁祸首。”。

GJ 486 b比地球大30%,质量是地球的三倍,这意味着它是一个比地球引力更强的岩石世界。它在不到1.5个地球日的时间内围绕一颗红矮星运行。预计它将被潮汐锁定,有永久的白天和永久的夜晚。

这个艺术家的概念代表了岩石系外行星GJ 486 b,它围绕着一颗距离室女座仅26光年的红矮星运行。天文学家通过观测GJ 486 b在其恒星前方凌日,寻找大气层的迹象。他们检测到有水蒸气的迹象。然而,他们警告说,虽然这可能是行星大气层的迹象,但水可能在恒星本身——特别是在凉爽的恒星点——而不是来自行星。

GJ 486 b凌日,从我们的角度来看,它在恒星前方穿过。如果它有大气层,那么当它凌日时,星光会过滤掉这些气体,在光中留下指纹,天文学家可以通过一种名为透射光谱的技术解码它的成分。

研究小组观察到了两次凌日,每次凌日持续约一个小时。然后,他们使用了三种不同的方法来分析结果数据。这三者的结果是一致的,因为它们显示出一个基本平坦的光谱,在最短的红外波长下有一个有趣的上升。该团队运行了考虑多种不同分子的计算机模型,并得出结论,最有可能的信号来源是水蒸气。

虽然水蒸气可能表明GJ 486 b上存在大气层,但同样合理的解释是来自恒星的水蒸气。令人惊讶的是,即使在我们自己的太阳中,水蒸气有时也会存在于太阳黑子中,因为与恒星周围的表面相比,这些斑点非常凉爽。GJ 486 b的主星比太阳冷得多,因此更多的水蒸气会集中在其星点内。因此,它可以产生一个模拟行星大气层的信号。

密歇根大学安娜堡分校的Ryan MacDonald解释道:“我们没有观察到这颗行星在凌日期间穿过任何星点的证据。但这并不意味着恒星上的其他地方没有星点。这正是将这种水信号印在数据中的物理场景,最终可能看起来像行星大气层。”,这项研究的合著者之一。

由于恒星的加热和辐射,预计水蒸气大气层将逐渐侵蚀。因此,如果存在大气层,它可能必须不断地由火山从地球内部喷出蒸汽来补充。如果水确实存在于地球的大气层中,则需要额外的观测来缩小存在的水的数量。

未来韦布的观测可能会对这个系统有更多的了解。即将到来的韦布计划将使用中红外仪器(MIRI)观测地球的白天。如果这颗行星没有大气层,或者只有稀薄的大气层,那么一天中最热的部分预计就在恒星的正下方。然而,如果最热点发生变化,这将表明大气可以循环热量。

最终,需要通过另一台韦伯仪器近红外成像仪和无狭缝光谱仪(NIRISS)在较短红外波长下进行观测,以区分行星大气层和星点场景。

史蒂文森说:“这是将多个仪器连接在一起,真正确定这个星球是否有大气层。”。

这项研究已被《天体物理学杂志快报》接受发表。

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。


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