韦伯探测到系外行星大气中存在二氧化碳

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美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜首次捕捉到太阳系外行星大气中存在二氧化碳的明确证据。对围绕 700 光年外的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见解。这一发现被接受发表在《自然》杂志上，它提供了证据，表明未来韦伯可能能够在较小的岩石行星的稀薄大气中检测和测量二氧化碳。

WASP-39 b 是一颗热气巨星，质量大约是木星的四分之一（大约与土星相同），直径是木星的 1.3 倍。它的极度浮肿部分与它的高温（约 1,600 华氏度或 900 摄氏度）有关。与我们太阳系中更冷、更紧凑的气态巨行星不同，WASP-39 b 的轨道非常靠近它的恒星——只有太阳和水星之间距离的八分之一——在四个地球日多一点的时间内完成一圈。2011 年报告的这颗行星的发现是基于地面探测到当行星凌日或经过恒星前方时来自其主恒星的光的微妙、周期性变暗。

先前来自其他望远镜的观测，包括美国宇航局的哈勃和斯皮策太空望远镜，揭示了行星大气中存在水蒸气、钠和钾。韦伯无与伦比的红外灵敏度现在已经证实了这个星球上也存在二氧化碳。

3 种不同波长的光的相对亮度与时间的关系图。 上图形成了一个 U 形谷，显示了一段亮度降低的时期。 谷底显示 3 个不同波长的调光量不同。

韦伯近红外光谱仪 (NIRSpec) 的一系列光变曲线显示了随着时间的推移，当行星在 2022 年 7 月 10 日凌日时，来自 WASP-39 恒星系统的三种不同波长（颜色）的光的亮度变化。

致谢：插图：NASA、ESA、CSA 和 L. Hustak (STScI)；科学：JWST 凌日系外行星社区早期发布科学团队

过滤星光

像 WASP-39 b 这样的凌日行星，我们从侧面而不是从上方观察其轨道，可以为研究人员提供探测行星大气的理想机会。

在凌日期间，一些星光完全被行星遮住（导致整体变暗），一些星光通过行星的大气层传播。

由于不同的气体会吸收不同的颜色组合，因此研究人员可以分析透射光在整个波长范围内亮度的微小差异，以确定大气的确切成分。WASP-39 b 结合了膨胀的大气和频繁的凌日，是透射光谱的理想目标。

首次明确检测到二氧化碳

研究小组使用韦伯的近红外光谱仪(NIRSpec) 来观察 WASP-39b。在这颗系外行星大气的光谱中，一个介于 4.1 和 4.6 微米之间的小山丘首次提供了在太阳系外行星中检测到的二氧化碳清晰、详细的证据。

“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 凌日系外行星社区早期释放科学团队的成员扎法尔·鲁斯塔姆库洛夫说，该团队进行了这项调查。“这是一个特殊的时刻，跨越了系外行星科学的一个重要门槛。”

以前没有天文台在系外行星透射光谱中测量过 3 到 5.5 微米范围内如此多颜色的亮度差异如此细微。获取这部分光谱对于测量水和甲烷等气体以及二氧化碳的丰度至关重要，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 上检测到如此清晰的二氧化碳信号对于检测较小的类地行星上的大气来说是个好兆头，”该团队的负责人、加州大学圣克鲁兹分校的娜塔莉·巴塔利亚 (Natalie Batalha) 说。

了解行星大气的组成很重要，因为它可以告诉我们关于行星的起源以及它是如何演化的一些信息。“二氧化碳分子是行星形成故事的敏感示踪剂，”该研究小组的另一名成员、亚利桑那州立大学的 Mike Line 说。“通过测量这种二氧化碳特征，我们可以确定形成这颗气态巨行星使用了多少固体和多少气态物质。在接下来的十年中，JWST 将对各种行星进行这种测量，从而深入了解行星如何形成的细节以及我们自己的太阳系的独特性。”

带有数据点和模型的光阻挡量与光波长的关系图，显示一个宽且显着的峰，标记为“二氧化碳，CO 2”。

韦伯的近红外光谱仪 (NIRSpec) 于 2022 年 7 月 10 日捕获的热气巨行星 WASP-39 b 的透射光谱揭示了太阳系外行星中存在二氧化碳的第一个明确证据。这也是有史以来第一个详细的系外行星透射光谱，涵盖了 3 到 5.5 微米之间的波长。

致谢：插图：NASA、ESA、CSA 和 L. Hustak (STScI)；科学：JWST 凌日系外行星社区早期发布科学团队

早期发布科学

对 WASP-39 b 的 NIRSpec 棱镜观测只是更大调查的一部分，该调查包括使用多个韦伯仪器对该行星的观测，以及对另外两颗凌日行星的观测。这项调查是早期发布科学计划的一部分，旨在尽快为系外行星研究界提供强大的韦伯数据。

牛津大学的联合研究员 Vivien Parmentier 解释说：“目标是快速分析早期发布的科学观察结果并开发开源工具供科学界使用。” “这使得来自世界各地的贡献成为可能，并确保在未来几十年的观察中产生最好的科学。”

NASA 艾姆斯研究中心论文的合著者 Natasha Batalha 补充说：“NASA 的开放科学指导原则以我们的早期发布科学工作为中心，支持包容、透明和协作的科学过程。”

詹姆斯韦伯太空望远镜是世界首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开我们太阳系的谜团，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我们在其中的位置。Webb 是由 NASA 及其合作伙伴 ESA（欧洲航天局）和加拿大航天局领导的一项国际计划。

首幅图片： 此图显示了系外行星 WASP-39 b 的外观，基于当前对这颗行星的了解。WASP-39 b 是一颗炽热、蓬松的气态巨行星，质量是木星的 0.28 倍（土星的 0.94 倍），直径是木星的 1.3 倍，距离其恒星仅 0.0486 个天文单位（4,500,000 英里）。这颗名为 WASP-39 的恒星比太阳小一点，质量也更小。因为它离它的恒星很近，WASP-39 b 非常热，很可能被潮汐锁定，一侧始终面向恒星。插图来源：NASA、ESA、CSA 和 J. Olmsted (STScI)