韦伯再立大功！人类首次探测到太阳系外行星大气层中存在二氧化碳

近日， NASA 的詹姆斯·韦伯空间望远镜首次捕捉到了太阳系外行星大气中存在二氧化碳的明确证据。这次对 700 光年外一颗绕类太阳恒星运行的气态巨行星的观测，为了解这颗行星的组成和形成提供了重要的信息。这一发现被《自然》杂志接收并发表，为韦伯未来可能探测和测量到较小岩质行星稀薄大气中的二氧化碳提供了依据。

WASP-39 b 是一颗热气体巨星，质量大约是木星的四分之一(和土星差不多)，直径是木星的 1.3 倍。它的极度膨胀部分与它的高温有关(约 900 摄氏度)。与我们太阳系中更冷、更紧凑的气体巨星不同， WASP-39 b 的轨道非常接近它的恒星，大约只有太阳和水星之间距离的八分之一，它在 4 个地球日多一点的时间内完成一次公转。这颗行星的发现是在 2011 年被报道的，基于地面探测，这颗行星在经过恒星前时，恒星发出的光线会发生微妙的周期性变暗。

此前，包括 NASA 的哈勃和斯皮策空间望远镜在内的其他望远镜的观测结果显示，该行星的大气层中存在水蒸气、钠和钾。韦伯超强的红外线灵敏度现在也证实了二氧化碳在这个星球上存在。

被“过滤”的星光

像 WASP-39 b 这样的凌日行星，我们观测到的轨道是面朝上的，而不是从上面观察到的，这为研究人员探测行星大气层提供了理想的角度。在凌日过程中，有些星光被行星完全遮蔽(导致整体变暗)，有些则通过行星的大气层传播。由于不同的气体吸收不同的颜色组合，研究人员可以通过分析透射光在不同波长光谱上的亮度差异来确定大气的确切组成成分。 WASP-39 b 结合了膨胀的大气和频繁的凌日现象，是透射光谱研究的理想目标。

韦伯近红外光谱仪（ NIRSpec ）的一系列光曲线显示，随着该行星于 2022 年 7 月 10 日凌日该恒星， WASP-39 恒星系统的三种不同波长（颜色）的亮度随时间而变化。

初次“邂逅”二氧化碳

研究小组使用韦伯的近红外线摄谱仪( NIRSpec )对 WASP-39 b 进行观测。在这颗系外行星的大气光谱中，一个 4.1 到 4.6 微米的小山丘首次提供了清晰、详细的证据，证明在太阳系以外的行星上存在二氧化碳。“数据一出现在我的屏幕上，巨大的二氧化碳特征就抓住了我，”约翰霍普金斯大学的研究生、 JWST 凌日系外行星科学团队的成员扎法尔·鲁斯坦库洛夫说，该团队进行了这项研究。“这是一个特殊的时刻，这项发现跨越了系外行星科学的一个重要门槛。”

在此之前，还没有天文台在系外行星的透射光谱中测量过如此多的颜色在 3 到 5.5 微米范围内的亮度差异。获取这部分光谱对于测量诸如水、甲烷以及二氧化碳等气体的丰度至关重要，这些气体被认为存在于许多不同类型的系外行星中。

“在 WASP-39 b 上探测到如此清晰的二氧化碳信号，预示着在较小的类地行星上将会探测到大气层，”加州大学圣克鲁兹分校的娜塔莉·巴塔利亚说，她是该研究小组的负责人。了解一颗行星的大气层组成很重要，因为它能告诉我们行星的起源和演化过程。“二氧化碳分子是行星形成过程的灵敏示踪剂，”该研究小组的另一位成员、亚利桑那州立大学的迈克·莱恩( Mike Line )说。“通过测量这一二氧化碳特征，我们可以确定有多少固体和多少气态物质形成了这颗气态巨行星。在未来的十年中， JWST 将对各种行星进行这种测量，为深入了解行星如何形成和我们太阳系的独特性。”

2022 年 7 月 10 日，韦伯近红外光谱仪（ NIRSpec ）捕获的热气体巨系外行星 WASP-39 b 的透射光谱揭示了太阳系外行星存在二氧化碳的第一个明确证据。这也是有史以来第一个覆盖 3 至 5.5 微米波长的详细的系外行星传输频谱。

Early Release Science 计划

NIRSpec 对 WASP-39 b 的棱镜观测只是一个更大的调查的一部分，该调查包括使用多个韦伯仪器对该行星的观测，以及对其他两颗凌日行星的观测。这项调查是 Early Release Science 计划的一部分，旨在尽快为系外行星研究界提供可靠的观测数据。

“我们的目标是快速分析观测结果，并开发供科学界使用的开源工具，”牛津大学的联合研究员费雯·帕姆提尔解释说。“这使得来自世界各地的贡献成为可能，并确保未来几十年的观测将产生最好的科学结果。”来自 NASA 艾姆斯研究中心的论文合著者 Natasha Batalha 补充说:“ NASA 的开放科学指导原则是以我们的早期释放科学工作为中心，支持包容、透明和协作的科学过程。”

詹姆斯·韦伯空间望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开太阳系的奥秘，观察其他恒星周围遥远的世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。 Webb 是一个由 NASA 及其合作伙伴 ESA (欧洲航天局)和加拿大航天局领导的国际项目。

参考文献：

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