詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了前所未有的系外行星大气层

詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)刚刚取得了另一个第一：遥远世界天空的详细分子和化学肖像。望远镜的高灵敏度仪器阵列是在“热土星”的大气层上训练的——一颗大约与土星一样大的行星，围绕着一颗大约70光年外的恒星——被称为WASP-39b。虽然JWST和其他太空望远镜，包括哈勃望远镜和斯皮策望远镜，之前已经揭示了这颗炙热行星大气层的孤立成分，但新的读数提供了原子、分子的完整菜单，甚至是活跃化学和云的迹象。

“数据中来自许多不同分子的信号非常清晰，”天体物理中心的天文学家MercedesLópez-Morales说。Harvard&Smithsonian和为新结果做出贡献的科学家之一。

“我们曾预测我们会看到许多这样的信号，但当我第一次看到这些数据时，我仍然感到敬畏，”López-Morales补充道。

最新数据还暗示了系外行星中的这些云在近距离观察时可能是怎样的：它们是破碎的，而不是覆盖在行星上的单一、均匀的覆盖层。

这些发现预示着JWST有能力对系外行星(其他恒星周围的行星)进行广泛的调查，这是科学家们所希望的。这包括探测像TRAPPIST-1系统中的那些较小的岩石行星的大气层。

加州大学圣克鲁兹分校的天文学家NatalieBatalha说：“我们用多种仪器观察了这颗系外行星，这些仪器共同提供了广泛的红外光谱和一整套化学指纹，直到JWST才可获得。”新的研究。“像这样的数据改变了游戏规则。”

这一系列发现在一组五篇新提交的科学论文中有详细介绍，可在预印本网站arXiv上获取。在史无前例的发现中，首次在系外行星大气层中检测到二氧化硫，这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，高层大气中的保护性臭氧层是以类似的方式产生的。

这张图片展示了艺术家对WASP-39b行星及其恒星的印象。这颗行星有一层模糊的橙蓝色大气层，下方有一些纵向云带。行星的左四分之一(面向恒星的一侧)被照亮，而其余部分则处于阴影中。这颗星呈明亮的黄白色，没有明显的特征。图片来源：NASA、ESA、CSA、J.Olmsted(STScI)

“二氧化硫的惊人检测最终证实了光化学塑造了‘热土星’的气候，”美国宇航局哈勃研究员、天体物理中心的天文学家和发现二氧化硫的团队核心成员黛安娜鲍威尔说。“地球的气候也受到光化学的影响，因此我们的星球与‘热土星’的共同点比我们以前知道的更多。”

哈佛大学研究生、天体物理中心研究员JeaAdams分析了证实二氧化硫信号的数据。

“作为系外行星大气领域的早期职业研究员，能够参与这样的探测工作真是太令人兴奋了，”亚当斯说。“分析这些数据的过程感觉很神奇。我们在早期数据中看到了这种特征的迹象，但这种更高精度的仪器清楚地揭示了SO2的特征，帮助我们解决了这个难题。”

在估计的1,600华氏度和主要由氢气组成的大气层中，WASP-39b被认为不适合居住。这颗系外行星被比作土星和木星，质量与土星相似，但整体大小与木星一样大。但这项新工作为寻找宜居星球上可能存在生命的证据指明了方向。

这颗行星离它的主星很近——比水星离我们的太阳近八倍——也使它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，应该可以更深入地了解这些过程如何创造银河系中观察到的行星的多样性。

JWST检测到的其他大气成分包括钠、钾和水蒸气，证实了之前的空间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其他水特征。

JWST还观测到了更高分辨率的二氧化碳，提供的数据是之前观测报告的两倍。同时，检测到一氧化碳，但数据中没有明显的甲烷和硫化氢特征。如果存在的话，这些分子的含量非常低，这对于科学家编制系外行星化学清单以更好地了解这些遥远世界的形成和发展来说是一个重要发现。

捕获如此广泛的WASP-39b大气层是一项科学杰作，因为一个数百人的国际团队独立分析了来自JWST的四种精细校准仪器模式的数据。然后他们对他们的发现进行了详细的相互比较，产生了更科学的细微差别的结果。

JWST在红外光中观察宇宙，在光谱的红端超出了人眼的可见范围;这使得望远镜能够拾取在可见光下无法检测到的化学指纹。

这三种仪器中的每一种甚至在其名称中都有红外线“IR”的某个版本：NIRSpec、NIRCam和NIRISS。

为了观察WASP-39b发出的光，JWST跟踪了行星经过其恒星前方时的情况，让部分恒星的光透过行星的大气层。大气中不同类型的化学物质吸收星光光谱的不同颜色，因此缺失的颜色告诉天文学家存在哪些分子。

通过如此精确地解析系外行星大气层，JWST仪器的表现远远超出了科学家的预期——并有望在银河系中种类繁多的系外行星中进入一个新的探索阶段。

López-Morales说：“我期待看到我们在小型类地行星的大气层中发现的东西。”