詹姆斯·韦伯太空望远镜在“温暖的木星”

　　温暖的系外行星WASP-80 b的大气中含有甲烷(图片来源:uux.cn/美国国家航空航天局)

　　据美国太空网（罗伯特·李）：詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)已经在一个大约163光年远的类木星世界的大气中探测到了甲烷和水蒸气。

　　天文学家通过使用这台强大的红外太空望远镜来观察太阳系外行星或“系外行星”WASP-80 b经过其母红矮星的表面，这是一个发现，它大约每3个地球日绕地球运行一次。

　　到目前为止，天文学家已经在大约12颗行星的大气层中发现了水蒸气，但使用天基光谱学检测甲烷——尽管在木星、土星、天王星和海王星等太阳系世界的大气层中常见——却非常罕见。这就是包括亚利桑那州立大学地球和空间探索学院的科学家Luis Welbanks和Michael Line以及海湾地区环境研究所(BAERI)研究员Taylor Bell在内的团队现在用詹姆斯·韦伯太空望远镜所做的事情。

　　威尔班克斯在一份声明中说:“这是我们第一次用肉眼在凌日系外行星光谱中看到如此明显的甲烷光谱特征，与半个世纪前在太阳系巨行星光谱中看到的光谱没有太大不同。”

　　需要说明的是，这不是JWST第一次发现大气中的甲烷。例如，天文台今年早些时候在系外行星K12-18b周围发现了这样的分子。

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　　宇宙大海捞针

　　WASP-80 b被归类为“温暖的木星”，因为它不像所谓的热木星那样靠近其母星，但仍然比所谓的冷木星更近。原始的木星，我们太阳系中最大的行星，也是给这类行星命名的气态巨行星，从技术上讲是一颗“冷木星”。

　　由于这种相对的接近，区分WASP-80 b和它的红矮星并不容易。事实上，这甚至是价值100亿美元的JWST的能力。这相当于从9英里(14.5公里)外看到一根头发。

　　幸运的是，天文学家有办法应对这一挑战。他们基本上是等待WASP-80 b过境其轨道运行的红矮星的表面，然后观察与该行星相关的集体光谱。

　　因为化学元素和分子吸收特征波长的光，观察组合光谱并将其与恒星的单独光谱进行比较，可以揭示行星大气中特定分子的独特指纹。

　　“使用凌日方法，当行星从我们的角度移动到它的恒星前面，导致我们看到的星光变暗一点时，我们观察到了这个系统。这有点像当有人从一盏灯前经过时，灯光变暗了，”威尔班克斯说。

　　“在这段时间里，”威尔班克斯继续说道，“行星白天/夜晚边界周围的行星大气薄环被恒星照亮，在行星大气分子吸收光线的某些颜色的光线下，大气看起来更厚，阻挡了更多的星光，与大气透明的其他波长相比，导致了更深的变暗。

　　“这种方法有助于像我们这样的科学家通过观察哪些颜色的光被阻挡来了解行星的大气层是由什么组成的，”研究人员解释说。

　　但是团队并没有就此止步。科学家们也使用了另一种方法来测量WASP-80 b的大气。

　　詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到的WASP-80 b的凌日光谱(上图)和日食光谱(下图)(图片来源:uux.cn/美国国家航空航天局)

　　你越来越暖和了…在寻找甲烷的时候

　　像所有的行星一样，WASP-80 b以热辐射的形式发出一些光。这种光的波长种类和强度都取决于行星的温度。

　　WASP-80 b如此接近其恒星，使得这颗行星的表面温度达到1025华氏度(552摄氏度)。)相比之下，典型的热木星温度为2150华氏度(1177摄氏度)，而我们的木星温度为零下235华氏度(-148摄氏度)。

　　温暖和炎热的木星也与它们的恒星潮汐锁定，这意味着它们有永远面向恒星的较热的永久“昼侧”，和永远面向太空的较冷的永久“夜侧”。

　　就在WASP-80 b遮蔽其恒星之前，它的昼侧指向地球，这意味着在遮蔽期间测量来自恒星的光的下降会显示来自行星的红外光，这是其热辐射的结果。这给了天文学家“日蚀光谱”，其光吸收模式与行星大气中的分子有关。这些模式看起来像是地球发出的特定波长的光减少了。

　　两全其美

　　结合日食和凌日数据，研究小组可以看到WASP-80 b大气层在不同波长下阻挡和发射了多少光。然后，研究人员使用两种不同的模型来模拟WASP-80 b这样的行星的大气层在温暖的木星的极端条件下会是什么样子。

　　一个模型是严格的，考虑到现有的物理和化学来确定这样一个世界中甲烷和水的含量。另一个模型更灵活，尝试了数百万种不同的甲烷和水的丰度和温度的组合，以找到最符合数据的配方。将transit和eclipse数据与两个模型进行比较，团队得出了相同的明确结论。

　　他们肯定在WASP-80 b的大气中发现了甲烷。

　　“在JWST之前，甲烷在很大程度上一直未被检测到，尽管人们期望用哈勃太空望远镜在甲烷本应丰富的行星上检测到它，”莱恩解释道。“这些探测的缺乏产生了一系列的想法，从碳的内在损耗到它的光化学破坏，再到深层甲烷耗尽气体的混合。”

　　下一步是探索WASP-80 b的化学成分可以告诉科学家关于系外行星的特征、形成历史和演化的信息，因为它们与甲烷和水的丰度有关。这样的研究也可以让研究小组推断出大气中碳和氧的比例。这个比率是根据行星在恒星周围形成的精确位置而变化的；它可以揭示WASP-80 b是否形成于它现在所处的位置，或者它是否在朝着它的恒星迁移之前诞生于更远的地方。

　　该团队还将利用已经访问过木星和土星的太空任务收集的样本和数据，将太阳系外温暖的木星大气与绕太阳运行的行星大气进行比较。

　　“甲烷不仅是追踪大行星大气成分和化学成分的重要气体，而且被假设为与氧气结合，可能是生物学的标志，”威尔班克斯总结道。“可居住世界天文台是继JWST和罗曼之后的下一个美国国家航空航天局旗舰任务，它的主要目标之一是在类日恒星周围的类地行星中寻找氧气和甲烷等气体。”

　　该团队的研究发表在11月22日的《自然》杂志上。