韦布首次在系外行星大气中发现活性化学物质

　　概要
　　对WASP-39 b的观测显示了原子和分子的特征，以及化学活性和云层的迹象。
　　WASP-39 b是一颗系外行星（exoplanet），一颗不同于太阳系中任何行星的行星，这颗土星大小的庞然大物绕恒星运行的距离比水星与太阳的距离还要近。WASP-39 b是美国航空航天局（NASA）詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）在开始常规科学操作时最先观测的几颗行星之一，相应的观测结果则令系外行星科学界兴奋不已。韦布精密灵敏的仪器为我们提供了WASP-39 b大气成分的概况，还确定了一些含量较多的成分，包括水、二氧化硫、一氧化碳、钠和钾。这些发现预示着韦布的仪器有能力对所有类型的系外行星进行广泛的调查，包括像TRAPPIST-1系统中的小型岩质行星。
　　这张艺术概念图描绘了系外行星WASP-39 b的模样，依据的是目前我们对行星的了解。
　　图片来源：NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
　　NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜最近取得了又一个首次：遥远系外恒星大气的分子和化学概况。
　　虽然韦布望远镜和其他太空望远镜，包括NASA的哈勃望远镜（Hubble）和斯皮策望远镜（Spitzer），之前已经揭示了这颗炙热行星大气层独立的分子、原子成分，但韦布望远镜的新数据提供了更为完整的成分清单，甚至是化学活性和云层的迹象。
　　最新数据还暗示了近距离观测时这些云层的样子：碎片化分散着，而不是单一均匀地包裹着这颗行星。
　　韦布望远镜的高灵敏度仪器阵列瞄准着WASP-39 b的大气层，WASP-39 b是一颗＂热土星＂（hot Saturn，一颗质量与土星相当但运行轨道比水星还要更靠近主恒星的行星），绕着一颗距离地球约700光年的恒星运行着。
　　这些发现预示着，韦布的仪器具备了科学界所期待的能力，能够对所有类型的系外行星（围绕其他恒星运行的行星）进行多种多样的调查，包括观测像TRAPPIST-1系统中那些较小岩质行星的大气层。
　　＂我们用多种仪器对这颗系外行星进行了观测，协同起来，这些仪器为我们提供了广泛的红外光谱和一整套化学成分分析，这在之前是难以获得的。＂美国加州大学圣克鲁兹分校（University of California, Santa Cruz）的天文学家娜塔莉·巴塔利亚（Natalie Batalha）说，＂像这样的数据改变了游戏规则。＂巴塔利亚对新研究做出了贡献和协调。
　　这一系列发现的详细描述通过5篇新的科学论文呈现出来，其中篇正在发表，另外两篇还在同行评议中。在这一批史无前例的发现中，我们首次在系外行星大气中检测到了二氧化硫（SO3 2），这种分子产生自行星母星的高能光所引发的化学反应。在地球上，高层大气中的保护性臭氧层也是以类似的方式产生的。
　　＂这是我们第一次在系外行星上看到光化学反应的具体证据，即由高能恒星光引发的化学反应。＂英国牛津大学研究员蔡尚闵（Shang-Min Tsai）说，＂我认为这为我们带来了非常有希望的前景，（这项任务）或许能推进我们对系外行星大气层的理解。＂蔡尚闵作为第一作者发表了WASP-39 b大气层中二氧化硫来源解释的论文。
　　这带来了另一项首次：对于那些需要充分解释此类物理学的数据，科学家应用了光化学计算机模型，由此产生的建模改进将有助于建立技术知识，用于在未来对可居住性的潜在迹象进行解释演绎。
　　＂运行在主恒星的辐射环境中，这颗行星会经历变化、逐步塑形。＂巴塔利亚说，＂在地球上，这些变化提供了让生命茁壮成长的条件。＂
　　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，可以让我们更深入地了解这些过程如何影响在银河系中观察到的行星的多样性。
　　为了观测WASP-39 b发出的光，韦布跟踪了行星经过其恒星前方的情况，让部分恒星的光透过行星的大气层。大气中不同种类的化学物质吸收恒星光谱的不同颜色，天文学家能根据缺失的颜色分析出行星大气中存在哪些分子。通过在红外光下对WASP-39 b进行观测，韦布可以获取在可见光下无法检测到的化学成分。
　　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），证实了之前来自空间望远镜和地面望远镜的观测结果，除此之外，韦布还在较长波长下发现了额外的水分子迹象，这是以前从未见过的。
　　韦布还以更高的分辨率对二氧化碳（CO2）进行了观测，提供的数据是它之前观测报告的两倍。同时，韦布还检测到了一氧化碳（CO），但数据中没有明显的甲烷（CH4）和硫化氢（H2S）特征，如果这两种分子真的存在，它们的含量也会非常低。
　　为了获得这幅WASP-39 b大气的光谱图，一个数百人的国际团队独立分析了来自韦布望远镜四种精细校准仪器模式的数据。
　　NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜揭示了热气态巨系外行星WASP-39 b的大气成分。这幅图像显示了在四种仪器模式下操作的韦布三台仪器的四幅透射光谱。左上角的光谱数据来自近红外成像仪与无缝摄谱仪（NIRISS），显示了钾（K）、水（H2O）和一氧化碳（CO）的特征峰。右上角的光谱数据来自近红外相机（NIRCam），显示出了明显的水的特征。左下角的光谱数据来自近红外光谱仪（NIRSpec），显示了水、二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）和一氧化碳（CO）。在右下角的光谱图数据也来自近红外光谱仪，揭示了所有上述分子以及钠（Na）的存在。
　　图片来源：NASA、ESA、CSA、J. Olmsted (STScI)
　　＂我们曾经期待过韦布望远镜会为我们展示哪些信息，但它最终呈现出的数据比我实际认为还要更精确、更多样化、更出色。＂英国布里斯托尔大学（University of Bristol）的天体物理学家汉娜·韦克福德（Hannah Wakeford）说，她参与了这颗系外行星大气的研究。
　　能获得系外行星大气层如此完整的化学成分表，也让科学家们得以瞥见不同元素之间的丰度差异，例如碳氧比或钾氧比。这反过来又让我们对这颗行星甚至其他的系外行星有了更深入的了解，了解它们在生命早期是如何由围绕在母星周围的气体和尘埃盘转变而成的。
　　WASP-39 b大气的化学成分揭露了名为星子（planetesimal）的较小天体撞击、合并，最终演变成一颗巨行星的历史。
　　＂硫相对于氢的丰度数据表明，这颗行星可能经历了星子的显著增生，数量众多的星子可以将这些成分输送到行星大气中。＂研究韦布数据的加州大学圣克鲁兹分校系外行星研究员大野和正说，＂这些数据还表明，WASP-39 b大气中的氧比碳丰富得多，这可能表明它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超出了科学家的预期，并有望在银河系种类繁多的系外行星探索中进入一个新阶段。
　　＂我们将能够看到系外行星大气层的宏大叙述。＂美国康奈尔大学研究员、分析数据的国际团队成员劳拉·弗拉格（Laura Flagg）说，＂知道这一切都将被重写真是令人难以置信的兴奋，这是作为一名科学家最好的部分之一了。＂
　　詹姆斯·韦布空间望远镜是世界上首屈一指的空间科学望远镜，它将解开太阳系中的谜团，超越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，以及地球在其中的位置。韦布是由NASA与欧洲航天局（European Space Agency，ESA）和加拿大航天局（Canadian Space Agency）的合作伙伴牵头的一项国际计划。
　　有关韦布任务的更多信息，请访问：
　　https://www.nasa.gov/webb
　　参考来源：
　　https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2022/news-2022-060