韦布望远镜首次发现系外行星

系外行星LHS 475 b的艺术想象图 （NASA官网/图）

2021年12月25日，备受期待的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）发射升空。在经过一系列调试和测试后，詹姆斯·韦布空间望远镜于2022年6月正式开始进行观测，获得的首批图像和数据于2022年7月向公众发布。此后，詹姆斯·韦布空间望远镜不断获得新的观测成果。2023年1月11日，一个研究团队公布了由詹姆斯·韦布空间望远镜发现的首颗系外行星，揭开了这台空间望远镜的新篇章。

探索系外行星

詹姆斯·韦布空间望远镜的4个主要科学目标包括早期宇宙、星系演化、恒星演化和系外行星。在2022年7月发布的首批数据中，就包括一颗编号为WASP-96 b的系外行星的光谱。这颗系外行星是一颗巨大的气态巨行星，质量大约是木星的一半，距离地球约1150光年，公转周期为3.4天。天文学家早在2014年就发现了这颗行星，而詹姆斯·韦布空间望远镜在最初的观测中拍摄了这颗行星的光谱，以便天文学家能够对它的大气进行研究。

除进一步研究已知的系外行星外，詹姆斯·韦布空间望远镜更具有发现未知系外行星的强大能力，这项最新公布的发现就是一个例证。在美国天文学会的一场新闻发布会上，一个由美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的凯文·史蒂文森（Kevin Stevenson）和雅克布·勒斯蒂格-耶格尔（Jacob Lustig-Yaeger）领导的研究团队公布了第一颗由詹姆斯·韦布空间望远镜发现的系外行星。

这颗系外行星的编号是LHS 475 b，位于南极座，距离地球41光年。研究团队通过分析詹姆斯·韦布空间望远镜的数据发现，这颗系外行星属于和地球一样的岩质行星，大小和地球几乎一样，但是距离母星非常近，公转周期只有2天。

在发现这颗系外行星的过程中，研究团队还使用了另一个“行星猎手”的数据。2018年4月18日，美国国家航空航天局（NASA）的凌日系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite）发射升空。这台又被称为“苔丝”（TESS）的探测器接替彼时即将退役的开普勒空间望远镜（Kepler SpaceTelescope），具有搜索大量潜在系外行星候选者的能力。在美国国家航空航天局的计划里，苔丝可进行前期的搜索，有望发现数百颗尺寸与地球相当或者不超过地球体积2倍的系外行星，进一步的详细探测则可交给詹姆斯·韦布空间望远镜来完成。

这个研究团队正是在筛选苔丝获得的数据后，确定对这个疑似系外行星的天体进行观测。他们依靠詹姆斯·韦布空间望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）所具备的强大观测能力，只用凌星法进行了两次观测就确认了LHS 475 b的存在。

追踪大气谜团

对致力于研究系外行星的天文学家来说，一颗系外行星是否有大气层以及大气层的组成成分至关重要，因为对大气层的研究将帮助他们理解行星系统的形成和演化，特别是回答系外行星是否存在地外生命、是否适合人类居住等问题。

虽然LHS 475 b的公转周期只有2天，它同母星的距离也比太阳系中任何一颗行星都近得多，但是由于这个系统的母星是一颗红矮星，表面温度不到太阳表面温度的一半，因此研究人员推测这颗系外行星的表面有可能存在大气层。

詹姆斯·韦布空间望远镜是目前唯一有能力对地球大小的系外行星的大气层进行探测的望远镜，这个研究团队尝试通过分析望远镜获得的LHS 475 b的透射光谱对这颗行星的大气层进行研究。但是，他们目前获得的数据还不足以确定这颗行星是否有大气层。

一方面，他们已经可以排除某些可能性，例如，这颗行星不可能具有类似土星的卫星泰坦（Titan）那样的充满甲烷的大气；另一方面，一些大气的组成形式还不能被排除，例如，一个完全由二氧化碳组成的大气层。勒斯蒂格-耶格尔在美国国家航空航天局官网上表示，与我们的直觉正好相反，探测完全由二氧化碳组成的大气层实际上非常困难。研究团队需要进行更加精确的测量以弄清这颗系外行星是否存在大气；如果存在大气的话，他们还要辨认出大气由哪种或者哪些物质组成。詹姆斯·韦布空间望远镜即将在2023年夏天进行的观测将为他们提供更多的光谱数据。

詹姆斯·韦布空间望远镜的观测数据还表明，LHS 475 b的温度比地球要高几百度，因此如果天文学家探测到这颗系外行星有大气的话，那这颗大小如地球的行星实际上更像是被厚厚的二氧化碳所包裹的金星。

这个研究团队发现LHS 475 b，为未来研究围绕小型红矮星运转的地球大小的岩质行星打开了一扇新的大门，提供了探索这些系外世界大气的多种可能性，同时也展示了詹姆斯·韦布空间望远镜的强大观测能力。史蒂文森相信，这将只是众多发现中的第一个而已；勒斯蒂格-耶格尔也认为，有了詹姆斯·韦布空间望远镜，岩质系外行星将会成为新的研究前沿。

从开普勒空间望远镜到苔丝，再到詹姆斯·韦布空间望远镜以及已在计划中的其他系外行星探测项目，天文学家正把视线投向更多的系外行星。这些研究在尝试解决一系列科学问题的同时，也将帮助我们重新审视地球和人类在宇宙图景中的位置。

南方周末特约撰稿 鞠强