欧洲 JWST 天文学家研究其他行星气候时的兴奋气氛

这张照片由美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜上的近红外相机 (NIRCam) 在红外光下捕捉到,揭示了以前被遮挡的恒星诞生区域。 信用:©美国宇航局

詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 于 2021 年圣诞节发射,它已经改变了我们对太阳系内外行星的理解。 JWST 是一个多功能卫星天文台,在距离地球 150 万公里的太空中,其轨道位置清晰可见。 与必须通过地球朦胧的大气层凝视太空的地面望远镜相比,这使其具有重大优势。

JWST 收集的光量是哈勃太空望远镜 (HST) 的五倍,使其能够利用其光谱能力检测来自遥远世界的微弱信号。

“在詹姆斯韦伯太空望远镜之前,只能观察到极少数的分子,例如水、一氧化碳和钠,”法国波尔多大学的天体物理学家 Jérémy Leconte 说。

以前的地球任务和观测已经发现了数千颗系外行星(那些在我们太阳系之外的行星),天文学家已经在利用 JWST 的独特能力进行研究 宇宙中生命的基石.

外星天空

今年早些时候,詹姆斯韦伯望远镜让天体物理学家能够观察 700 光年外一颗类太阳恒星周围的系外行星。 星光穿过炽热的类木星行星 WASP-39b 的大气层,让天文学家了解外星天空的化学成分。

在地球上,望远镜很难观察系外行星上的二氧化碳,因为它们必须透过行星大气中的二氧化碳来观察。 JWST 天文台允许在 WASP-39b 的天空中检测到更大范围的分子,包括二氧化碳。 大气中二氧化碳的存在可能表明地球上存在有机生命。

“这真的改变了游戏规则,”Leconte 说。 “我们真的需要观察恒星周围的行星 close 给我们。 这是我们描述它们的大气特征的最佳机会。”

特别是,他对 40 光年外围绕矮星 TRAPPIST-1 恒星运行的七颗岩石行星特别感兴趣,尤其是它们的大气层。 行星存在于宜居带,这意味着它有合适的温度让水保持液态。

通常,当科学家们对系外行星的大气层做出预测时,他们会假设它是同质的——同样的条件存在于它各处。 这不太可能是真的。

Leconte 开发了一个 3D 模拟器(作为 鞭打项目) 在具有已知特征(例如存在液态水)的模拟行星上进行测试。 使用模拟行星运行这些测试就像在数学书后面找到答案:可以运行测试,并且可以将模型提供的答案与已知特征进行比较。

未来几年可能会发现更多的系外行星——包括使用新太空望远镜发现的那些。 科学家们想知道他们的模型是否可以提供准确的见解。 关于遥远系外行星问题的一些答案可能在于 close 回到太阳系的四颗最大的行星——木星、土星、天王星和海王星。

朱诺轨道飞行器任务 提供了木星的壮丽景色,同时 卡西尼号宇宙飞船 揭示了有关土星的细节。 此前,该 航海者 2 号宇宙飞船 海王星和天王星的飞行拍摄了它们的大气图像。

莱斯特大学的行星科学家 Leigh Fletcher 说:“我们从这些行星上捕捉到了所有这些旋转风暴系统和糖果色条纹的光辉图像,这些都是大规模的天气循环模式,但这只是一个快照他们在特定时刻的大气和气候。”

四大巨头

为了了解气候和天气模式,弗莱彻领导了一个名为 巨人气候 将他们不断变化的气氛的零散拼图拼凑在一起。 他们利用地球上望远镜过去的观测结果来了解这四个巨行星几十年来的自然周期。 这项工作为 JWST 备受期待的这些世界的新地图奠定了基础。

天王星和海王星是太阳系中距离最远的行星,这些所谓的“冰巨星”仍然保持着神秘的气氛。 它们主要由氢气、氦气和甲烷等其他气体组成。

“(这两个行星)有很大的新发现潜力,”弗莱彻说。 “与研究得更好的气态巨星(木星和土星)相比,我们对这些冰巨星的大气运作没有很好的了解。”

甲烷雪

与此同时,众所周知,土星拥有巨大的风暴系统,而海王星可能有甲烷暴风雪。 天气模式中的关键变量始终是温度,遥远的海王星和天王星的温度非常寒冷。

随着天王星平流层大气温度的第一张地图的出版,已经取得了进展。 这揭示了两极令人惊讶的季节性循环系统和亮点。

它还预测,通常以它们的轴为标题的巨行星有极长的季节。 弗莱彻说:“我们确实看到季节在调节大气温度、云层和降水,就像我们在地球上所做的那样,”但我们也看到大气中有规律的自然循环,而不是季节性的。 我们才刚刚开始了解巨行星上的天气。”

此外,海王星的大气层显示出大量的风暴和天气活动,但研究小组对这颗行星似乎在夏季变冷而不是变暖的发现感到惊讶。

GIANTCLIMES 是对 JWST 到来的支持。 新望远镜已经观测到木星,在不久的将来它将转向天王星和土星,然后在 2023 年初转向海王星,从而可以比较行星之间的情况。

“气候怎样在四个世界上发挥作用确实是我们试图了解的核心,”弗莱彻说。 预计它将更深入地了解在木星、土星、天王星和海王星上检测到的气候变化的自然循环。 它们的极端情况甚至可以告诉我们更多关于地球自身气候和天气模式的信息。

外星生命

对四大巨星的研究也与系外行星研究有关。 弗莱彻说:“我们的太阳系中有一系列不同的行星大气,它们形成了我们可能期望在其他恒星周围看到的模板。”

“也许这些系外行星目标也表现出类似的自然周期,最终目标是尝试对所有行星进行天气预报或气候预测,而不仅仅是我们太阳系中的行星,”弗莱彻总结道。

JWST 将使科学家能够更好地观察太阳系远处行星的天空,以及光年以外的世界,其中一些可能被保护性大气和有利于外星生命的陆地条件所包围。

“天体物理学的两个领域正在快速发展。它们是系外行星和宇宙学,这真的归结为上帝和生命的问题,那么宇宙从哪里来,我们从哪里来,”莱孔特说。