近日, NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡首次捕捉到了太陽系外行星大氣中存在二氧化碳的明確證據。這次對 700 光年外一顆繞類太陽恆星運行的氣態巨行星的觀測,為瞭解這顆行星的組成和形成提供了重要的信息。這一髮現被《自然》雜誌接收併發表,為韋伯未來可能探測和測量到較小岩質行星稀薄大氣中的二氧化碳提供了依據。

WASP-39 b 是一顆熱氣體巨星,質量大約是木星的四分之一(和土星差不多),直徑是木星的 1.3 倍。它的極度膨脹部分與它的高溫有關(約 900 攝氏度)。與我們太陽系中更冷、更緊湊的氣體巨星不同, WASP-39 b 的軌道非常接近它的恆星,大約只有太陽和水星之間距離的八分之一,它在 4 個地球日多一點的時間內完成一次公轉。這顆行星的發現是在 2011 年被報道的,基於地面探測,這顆行星在經過恆星前時,恆星發出的光線會發生微妙的週期性變暗。

此前,包括 NASA 的哈勃和史匹哲太空望遠鏡在內的其他望遠鏡的觀測結果顯示,該行星的大氣層中存在水蒸氣、鈉和鉀。韋伯超強的紅外線靈敏度現在也證實了二氧化碳在這個星球上存在。

被「過濾」的星光

像 WASP-39 b 這樣的凌日行星,我們觀測到的軌道是面朝上的,而不是從上面觀察到的,這為研究人員探測行星大氣層提供了理想的角度。在凌日過程中,有些星光被行星完全遮蔽(導致整體變暗),有些則通過行星的大氣層傳播。由於不同的氣體吸收不同的顏色組合,研究人員可以通過分析透射光在不同波長光譜上的亮度差異來確定大氣的確切組成成分。 WASP-39 b 結合了膨脹的大氣和頻繁的凌日現象,是透射光譜研究的理想目標。

韋伯近紅外光譜儀( NIRSpec )的一系列光曲線顯示,隨著該行星於 2022 年 7 月 10 日凌日該恆星, WASP-39 恆星系統的三種不同波長(顏色)的亮度隨時間而變化。

韋伯近紅外光譜儀( NIRSpec )的一系列光曲線顯示,隨著該行星於 2022 年 7 月 10 日凌日該恆星, WASP-39 恆星系統的三種不同波長(顏色)的亮度隨時間而變化。

初次「邂逅」二氧化碳

研究小組使用韋伯的近紅外線攝譜儀( NIRSpec )對 WASP-39 b 進行觀測。在這顆系外行星的大氣光譜中,一個 4.1 到 4.6 微米的小山丘首次提供了清晰、詳細的證據,證明在太陽系以外的行星上存在二氧化碳。「數據一出現在我的屏幕上,巨大的二氧化碳特徵就抓住了我,」約翰霍普金斯大學的研究生、 JWST 凌日系外行星科學團隊的成員扎法爾·魯斯坦庫洛夫說,該團隊進行了這項研究。「這是一個特殊的時刻,這項發現跨越了系外行星科學的一個重要門檻。」

在此之前,還沒有天文台在系外行星的透射光譜中測量過如此多的顏色在 3 到 5.5 微米範圍內的亮度差異。獲取這部分光譜對於測量諸如水、甲烷以及二氧化碳等氣體的丰度至關重要,這些氣體被認為存在於許多不同類型的系外行星中。

「在 WASP-39 b 上探測到如此清晰的二氧化碳信號,預示著在較小的類地行星上將會探測到大氣層,」加州大學聖克魯茲分校的娜塔莉·巴塔利亞說,她是該研究小組的負責人。瞭解一顆行星的大氣層組成很重要,因為它能告訴我們行星的起源和演化過程。「二氧化碳分子是行星形成過程的靈敏示蹤劑,」該研究小組的另一位成員、亞利桑那州立大學的邁克·萊恩( Mike Line )說。「通過測量這一二氧化碳特徵,我們可以確定有多少固體和多少氣態物質形成了這顆氣態巨行星。在未來的十年中, JWST 將對各種行星進行這種測量,為深入瞭解行星如何形成和我們太陽系的獨特性。」

2022 年 7 月 10 日,韋伯近紅外光譜儀( NIRSpec )捕獲的熱氣體巨系外行星 WASP-39 b 的透射光譜揭示了太陽系外行星存在二氧化碳的第一個明確證據。這也是有史以來第一個覆蓋 3 至 5.5 微米波長的詳細的系外行星傳輸頻譜。

2022 年 7 月 10 日,韋伯近紅外光譜儀( NIRSpec )捕獲的熱氣體巨系外行星 WASP-39 b 的透射光譜揭示了太陽系外行星存在二氧化碳的第一個明確證據。這也是有史以來第一個覆蓋 3 至 5.5 微米波長的詳細的系外行星傳輸頻譜。

Early Release Science 計劃

NIRSpec 對 WASP-39 b 的稜鏡觀測只是一個更大的調查的一部分,該調查包括使用多個韋伯儀器對該行星的觀測,以及對其他兩顆凌日行星的觀測。這項調查是 Early Release Science 計劃的一部分,旨在盡快為系外行星研究界提供可靠的觀測數據。

「我們的目標是快速分析觀測結果,並開發供科學界使用的開源工具,」牛津大學的聯合研究員費雯·帕姆提爾解釋說。「這使得來自世界各地的貢獻成為可能,並確保未來幾十年的觀測將產生最好的科學結果。」來自 NASA 艾姆斯研究中心的論文合著者 Natasha Batalha 補充說:「 NASA 的開放科學指導原則是以我們的早期釋放科學工作為中心,支持包容、透明和協作的科學過程。」

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡是世界上首屈一指的太空科學天文台。韋伯將解開太陽系的奧秘,觀察其他恆星周圍遙遠的世界,探索宇宙的神秘結構和起源,以及我們在其中的位置。 Webb 是一個由 NASA 及其合作夥伴 ESA (歐洲太空總署)和加拿大太空總署領導的國際項目。


參考文獻:

[1]NASA’s Webb Detects Carbon Dioxide in Exoplanet Atmosphere | NASA

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