韦伯识别出系外行星大气中的甲烷

詹姆斯·韦伯太空望远镜观察了系外行星WASP-80b在其主星前后经过时的情况，揭示了大气中含有甲烷气体和水蒸气的光谱。虽然迄今为止已在十多个行星中检测到水蒸气，但直到最近，甲烷(一种在太阳系内的木星、土星、天王星和海王星的大气层中大量存在的分子)在凌日系外行星的大气层中仍然难以捉摸。当使用天基光谱学进行研究时。

湾区环境研究所(BAERI)的泰勒·贝尔(BAERI)和来自亚利桑那州立大学的路易斯·韦尔班克斯向我们介绍了在系外行星大气中发现甲烷的更多意义，并讨论了韦伯观测如何促进了这一发现。鉴定这种长期以来备受追捧的分子。这些发现最近发表在《自然》杂志上。

“WASP-80b的温度约为825开尔文(约1,025华氏度)，科学家称之为‘暖木星’，这些行星的大小和质量与我们太阳系中的木星相似，但具有温度介于热木星(如1,450-K(2,150-F)HD209458b(第一颗被发现的凌日系外行星))和冷木星(如我们的木星，约为125K(235F))之间。”

“WASP-80b每三天绕红矮星一周，位于天鹰座，距我们163光年。由于这颗行星离它的恒星如此之近，而两者又离我们如此之远，我们可以即使是像韦伯这样最先进的望远镜也无法直接看到这颗行星。相反，研究人员使用凌日法(已用于发现大多数已知的系外行星)和日食法来研究来自恒星和行星的组合光。

“使用凌日法，我们观察到当行星从我们的角度移动到其恒星前面时，导致我们看到的星光稍微变暗的系统。这有点像当有人经过灯前时，光线变暗”。

“在此期间，围绕行星昼/夜边界的行星大气层的薄环被恒星照亮，并且在行星大气层中的分子吸收光的某些颜色的光下，大气层看起来更厚并且阻挡了更多的星光，与大气看起来透明的其他波长相比，导致更深的变暗。这种方法可以帮助像我们这样的科学家通过观察哪些颜色的光被阻挡来了解地球的大气层是由什么组成的。”

“同时，使用日食方法，当行星从我们的角度经过其恒星后面时，我们观察到了该系统，导致我们接收到的总光再次出现小幅下降。所有物体都会发出一些光，称为热辐射，其强度和颜色为发出的光取决于物体的热度。”

“就在日食之前和之后，行星炎热的日面指向我们，通过测量日食期间光线的下降，我们能够测量行星发出的红外光。对于日食光谱，日食中分子的吸收行星的大气层通常表现为该行星发射的特定波长光的减少。此外，由于该行星比其主恒星小得多且冷得多，因此日食的深度比凌日的深度小得多。

通过NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜NIRCam无缝光谱模式测量的WASP-80b的传输光谱(顶部)和日食光谱(底部)。在这两个光谱中，有明显的证据表明水和甲烷的吸收，其贡献用彩色轮廓表示。在凌日过程中，行星从恒星前面经过，在凌日光谱中，分子的存在使行星的大气层阻挡了更多某些颜色的光，导致这些波长的光线更加暗淡。日食期间，行星从恒星后面经过，在日食光谱中，分子吸收了行星发出的一些特定颜色的光，导致日食期间的亮度下降幅度小于凌日期间的亮度下降。图片来源：BAERI/NASA/TaylorBell。

“我们最初的观察需要转化为我们所说的光谱;这本质上是一种测量，显示有多少光被行星大气层阻挡或发射出不同颜色(或波长)的光。存在许多不同的工具来将原始观察结果转化为有用的光谱，因此我们使用了两种不同的方法来确保我们的发现对于不同的假设都是稳健的。”

“接下来，我们使用两种模型来解释这个光谱，以模拟在这种极端条件下行星的大气层会是什么样子。第一种模型是完全灵活的，尝试了数百万种甲烷和水丰度和温度的组合，以找到“与我们的数据最匹配的组合。第二种类型称为‘自洽模型’，它也探索了数百万种组合，但利用我们现有的物理和化学知识来确定预期的甲烷和水含量。”

“两种模型都得出了相同的结论：明确检测到甲烷。”

“为了验证我们的发现，我们使用了稳健的统计方法来评估我们检测到的随机噪声的概率。在我们的领域，我们认为‘黄金标准’是所谓的‘5-sigma检测’，意思是检测到的几率由随机噪声引起的概率为170万分之一。同时，我们在凌日光谱和日食光谱中检测到的甲烷均为6.1西格玛，这使得每次观测中虚假检测的几率为9.42亿分之一，超过了5西格玛‘黄金标准’，并增强了我们对这两项检测的信心。”

“通过如此自信的检测，我们不仅发现了一种非常难以捉摸的分子，而且现在我们可以开始探索这种化学成分告诉我们关于地球的诞生、生长和进化的信息。例如，通过测量甲烷和水的量在这个星球上，我们可以推断出碳原子与氧原子的比例。”

“这个比率预计会根据行星在其系统中形成的地点和时间而变化。因此，检查这种碳与氧的比率可以提供线索，了解行星是在逐渐向内移动之前形成在靠近恒星还是更远的地方。”

“这一发现让我们兴奋的另一件事是最终有机会将太阳系外的行星与太阳系内的行星进行比较。美国宇航局有向太阳系内的气态巨行星发射航天器来测量甲烷和其他行星的数量的历史。现在，通过测量系外行星中的相同气体，我们可以开始进行“同类”比较，看看太阳系的预期是否与我们在太阳系之外看到的相符。”

“最后，当我们展望韦伯未来的发现时，这一结果表明我们正处于更令人兴奋的发现的边缘。韦伯对WASP-80b的额外MIRI和NIRCam观测将使我们能够探测位于不同波长的光。我们的发现使我们认为我们将能够观察其他富含碳的分子，例如一氧化碳和二氧化碳，使我们能够更全面地了解这个星球大气层的状况。”

“此外，当我们在系外行星中发现甲烷和其他气体时，我们将继续扩展我们的知识，了解化学和物理在与地球不同的条件下如何工作，也许不久的将来，在其他行星上会提醒我们我们所拥有的东西在家里。有一件事是明确的——詹姆斯·韦伯太空望远镜的发现之旅充满了潜在的惊喜。”