詹姆斯·韦伯太空望远镜揭开遥远世界的化学秘密——为研究类地行星铺平道路

WASP b 及其 sta 的艺术家印象。 图片来源:NASA、ESA、CSA 和 J. Olmsted (STScI)

自从 1995 年发现第一颗围绕太阳以外的恒星运行的行星以来,我们已经意识到行星和行星系统比我们想象的更加多样化。 如此遥远的世界——系外行星——让我们有机会研究行星在不同情况下的行为。 了解他们的大气层是拼图的关键部分。

美国国家航空航天局 詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 是太空中最大的望远镜。 它于 2021 年圣诞节推出,是调查这些世界的完美工具。 现在,我和我的同事们首次使用望远镜揭示了一颗系外行星的化学构成。 和 数据, 释放 在预印本 形式 (这意味着它尚未在同行评审的期刊上发表), 暗示一些令人惊讶的结果.

许多系外行星也是 close 向它们的母星求助,甚至用这个强大的望远镜来区分它们。 但是我们可以使用观察行星从其恒星前面经过(凌日)的技巧。 在运输过程中,行星会阻挡一小部分星光,甚至更小部分星光会通过行星大气层的外层过滤。

大气中的气体吸收了一些光——以降低某些颜色或波长的亮度的形式在星光上留下指纹。 JWST 特别适合系外行星大气研究,因为它是红外望远镜。 大气中的大多数气体(例如水蒸气和二氧化碳)吸收红外线而不是可见光。

我是国际系外行星科学家团队的一员,该团队一直在使用 JSTW 研究一颗大致与木星大小的行星,称为 WASP-39b. 然而,与木星不同的是,这个世界只需要几天就可以绕其恒星运行,因此它正在被煮熟——达到超过 827°C 的温度。 这为我们提供了探索行星大气在极端温度条件下的行为方式的绝好机会。

我们使用 JWST 恢复了这个迷人星球迄今为止最完整的光谱。 事实上,我们的工作代表了地球大气层的第一份化学清单。


四个独立测量之一。 每个凸点对应于大气中不同的吸收气体。 图片来源:NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted (STScI)

我们已经知道,这颗大行星的大部分大气层必须是氢和氦的混合物——宇宙中最轻和最丰富的气体。 哈勃望远镜此前曾在那里探测到水蒸气、钠和钾。

现在,我们已经能够确认我们的检测结果并测量出水蒸气的量。 数据还表明还有其他气体,包括 二氧化碳, 一氧化碳,而且出乎意料的是, 二氧化硫.

测量大气中每种气体的含量意味着我们可以估算构成这些气体的元素(氢、氧、碳和硫)的相对含量。 行星是在一颗年轻恒星周围的尘埃和气体圆盘中形成的,我们预计距恒星不同距离的婴儿行星可以获得不同数量的这些元素。

WASP-39b 的碳含量似乎相对于氧含量相对较低,这表明它可能形成于距恒星更远的地方,在那里它可以很容易地从圆盘吸收水冰(增加氧气),与目前的非常远的距离相比 close 轨道。 如果这颗行星已经迁移,它可以帮助我们发展关于行星形成的理论,并支持我们太阳系中的巨行星在早期也进行了相当多的移动和摇晃的观点。

硫磺钥匙

对于 WASP-39b,我们检测到的相对于氧气的硫含量相当高。 我们预计年轻行星系统中的硫更多地集中在岩石和瓦砾中,而不是大气中的气体。 因此,这表明 WASP-39b 可能与含硫岩石块发生了不寻常的碰撞。 其中一些硫会以气体的形式释放出来。

詹姆斯·韦伯太空望远镜揭开遥远世界的化学秘密——为研究类地行星铺平道路
WASP-39b 上的光化学。 图片来源:NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt; 天体物理学中心-哈佛和史密森尼/梅丽莎韦斯

在行星的大气层中,不同的化学物质会以不同的速率相互反应,具体取决于行星的温度。 通常,它们进入平衡状态,随着反应相互平衡,每种气体的总量保持稳定。 我们设法预测了我们会在 WASP-39b 的大气层中看到的一系列起点的气体。 但他们都没有想出二氧化硫,而是期望任何硫都被锁定在另一种气体硫化氢中。

化学拼图缺失的一块是一个叫做 光化学. 在这种情况下,某些化学反应的速率是由来自恒星的光子(光包)的能量驱动的,而不是由大气的温度驱动的。 因为 WASP-39b 非常热,而且反应通常在较高温度下会加速,所以我们没想到光化学会像事实证明的那样重要。

数据表明,大气中的水蒸气被光分解成氧气和氢气。 然后这些产物会与气体硫化氢反应,最终剥离氢气并用氧气代替它形成二氧化硫。

JWST 的下一步是什么?

光化学在可能适合居住的较冷行星上更为重要——我们星球上的臭氧层是通过光化学过程形成的。 JWST 将在其运行的第一年观察 Trappist-1 系统中的岩石世界。 其中一些测量已经完成——所有这些行星的温度都与地球更相似。

有些甚至可能具有合适的温度,使地表存在液态水,并可能存在生命。 充分了解光化学怎样影响大气成分对于解释 Trappist-1 系统的韦伯望远镜观测结果至关重要。 这一点尤其重要,因为大气中明显的化学失衡可能暗示生命的存在,因此我们需要了解其他可能的解释。

WASP-39b 化学品清单向我们展示了 JWST 工具的强大之处。 我们正处于系外行星科学一个非常激动人心的时代的开端,敬请期待。