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詹姆斯韦伯太空望远镜在一颗“温暖的木星”大气层中发现水和甲烷

(2023-11-25 11:15:09)

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杂谈

詹姆斯韦伯太空望远镜在一颗“温暖的木星”大气层中发现水和甲烷

By Robert Lea

2023/11/25

Science & Astronomy

美国宇航局的强大红外太空望远镜随WASP-80 b每三天环绕它的母星一圈探测到了这些分子。

温暖的系外行星WASP-80 b的描画，在它的大气层中有甲烷 。(Image credit: NASA )

詹姆斯·韦伯太空望远镜已经在大约163光年外的一颗木星一样世界的大气层中探测到了甲烷和水蒸气。

天文学家用这台强大的红外太空望远镜来观察这颗太阳系外行星或“系外行星”WASP-80 b经过它的母红矮星的表面，它大约每3个地球日环绕一圈。

到目前为止，天文学家已经在大约十几颗行星的大气层中发现了水蒸气，但用天基光谱法探测甲烷------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很常见------一直是远更罕见的。这就是该团队包括亚利桑那州立大学地球与太空探索学院的科学家路易斯·韦尔班克斯和迈克尔·莱恩以及湾区环境研究所（BAERI）研究员泰勒·贝尔现在已经用詹姆斯韦伯太空望远镜所做的工作。

韦尔班克斯在一份声明中说，“这是我们第一次在一个过境系外行星光谱中用我们的眼睛已经看到如此一个明显的甲烷光谱特征，与半个世纪前太阳系巨行星的光谱中没有太多不一样”。

需要明确的是，这并不是詹姆斯韦伯太空望远镜已经第一次发现大气层中的甲烷。例如，今年更早这个天文台在系外行星K12-18b周围发现了这种分子。

宇宙大海捞针

WASP-80 b被归类为一颗“温暖的木星”，因为它不像所谓的热木星是的那样离它的母星那样近，但仍然比所谓的冷木星更近。最初的木星我们太阳系中最大的行星，这个气态巨行给出这类行星它们的名字，技术上是一个“冷木星”。

由于这种相对接近，将WASP-80 b从它的红矮星区分开不是小气的壮举。事实上，它甚至是价值 100 亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜的能力。这相当于从一个 9 英里（14.5 公里）远处炫耀发现一根人的头发。

幸运的是，天文学家有一种来应对这一挑战的方法。他们基本上等待WASP-80 b来过境它环绕的红矮星的表面，然后观测一个与这颗行星相关的集体光谱。

由于化学元素和分子吸收特征波长的光，观察组合的光谱并将其与恒星的单独光谱比较揭示在行星大气层中特定分子的独特指纹。

韦尔班克斯说，“用过境法，当行星从我们的角度移动到恒星前面时我们观测了该系统，造成我们看到的星光变暗一点点。这有点像当有人从一盏灯前经过时光线变暗一样”。

韦尔班克斯继续说道，“在这段时间期间，围绕行星昼夜边界的行星大气层的一个薄环被恒星照亮，在某些颜色的光下在那里行星大气层中的分子吸收光，大气层看起来更厚并阻挡更多的星光，造成与其他波长相比在那里大气层看起来透明的的一个更深的变暗” 。

研究人员解释说，“这种方法可以帮助像我们这样的科学家通过看哪些颜色的光正在被阻挡了解行星的大气层由什么组成”。

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

由 詹姆斯·韦伯太空望远镜测量的WASP-80 b的过境光谱（上）和日食光谱（下）。 (Image credit: NASA)

你越来越暖和......在狩猎甲烷时

像所有行星一样，WASP-80 b以热辐射形式发射一些它的光。这种光的波长类别和强度都取决于行星的温度。

WASP-80 b与恒星的接近性给这颗行星一个1025华氏度（552摄氏度）的表面温度。这与典型的热木星温度 2150 华氏度（1177 摄氏度）和我们的木星的正冷温度零下 235 华氏度（-148 摄氏度）相比。

温暖和热的木星也潮汐上被锁定到它们的恒星，这意味着它们有更热的永久“白天一面”总是面向恒星，以及永远更冷的“夜晚一面”总是面向外进入太空。

就在WASP-80 b日食它的恒星之前，它的白天一面被指向地球，这意味着测量日食期间来自恒星的光中的一个下降揭示来自行星的红外光为一个它的热辐射的结果。这给天文学家被连接到行星大气层中的分子光吸收模式的“日食光谱”。这些种模式出现为行星在特定波长下发射的光的减少。

两个世界的最佳

结合日食和过境数据允许研究小组来看被WASP-80 b的大气层在不同波长下阻挡和发射了多少光。然后，研究人员用两种不同的模型来仿真一颗像WASP-80 b这样的行星在一个温暖木星的极端条件下的大气层看起来像什么一样。

一个模型是严格的，它考虑现有的物理和化学来确定能从这样一个世界预期的甲烷和水的水平。另一个模型是更灵活的，尝试了数百万种不同的甲烷和水丰度和温度的组合来找到最拟合数据的配方。将过境和日食数据与两种模型比较，导致了团队得出了相同而明确的结论。

他们已经肯定在WASP-80 b的大气层中检测到了甲烷。

莱恩解释说，“在詹姆斯韦伯太空望远镜之前，甲烷基本上没有被检测到，尽管期望它可以被用哈勃太空望远镜在它应该一直是丰富的行星中探测到，这些缺乏检测产生了一系列从碳的内在消耗到它的光化学破坏到深层甲烷耗尽气体的混合的想法”。

下一步是来探索WASP-80 b的化学成分能告诉科学家因为它们与甲烷和水的丰度有关关于系外行星的特征、形成历史和演化。这样的研究将允许研究小组来推断像大气层中碳对氧比例一样的东西。这个比例是某些基于在一颗行星围绕一颗恒星的确切位置变化的东西，它可以揭示WASP-80 b在它现在所在的位置形成还是它是否在向恒星迁移之前被诞生在更远的地方。