韦伯太空望远镜探测到系外行星大气中的二氧化碳

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搞清楚这颗行星的组成和形成过程提供了重要的依据。该发现发表在最新的《自然》杂志上,这证明韦伯望远镜未来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的存在。

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。它看起来比较臃肿和它高达900度的高温有关。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——公转周期仅为4个地球日多一点。这颗行星在2011 年被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光的微弱、周期性变暗。前些年通过包括哈勃和斯皮策太空望远镜在内的其他望远镜的观测,也揭示了该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);
科学研究:韦伯望远镜凌日系外行星社区早期发布科学团队

星光过滤

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的光的组合,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,”约翰霍普金斯大学研究生、韦伯望远镜凌日系外行星社区早期发布科学团队成员 Zafar Rustamkulov 说,团队进行了调查,“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非常重要,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蕴含了多少固体和多少气态物质。在接下来的十年中,韦伯望远镜 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太阳系的独特性。”

 

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