韦布新收获：在系外行星大气中发现二氧化碳
韦布新收获：在系外行星大气中发现二氧化碳Original Nature Portfolio
Nature Portfolio 2022-09-07 21:40 Posted on 上海
原文作者：Shannon Hall
这座里程碑式的望远镜在第一年里会探索76个世界，报告预示着它将迎向的未来。詹姆斯·韦布太空望远镜已经因其迷人的宇宙图像声名远播（参见：韦布大片来了：临近时间尽头的夜空），如今又有了新的斩获。这座望远镜拍摄到了首个明确证据，表明在太阳系外的行星大气中存在二氧化碳。
这一发现不仅为这颗系外行星的形成带来了引人入胜的线索，也预示着随着韦布研究越来越多的外星世界，它即将给我们带来怎样的前景。发表在预印本服务器arXiv上的一篇论文手稿报告了这一发现，尚未经过同行评议，论文有望在未来几天发表在《自然》上。（《自然》新闻团队与期刊团队是编辑独立的。）https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/0OWoGbRW1ic8tqIUbnHSp2W4K5ygd0qQhNRDib5ZgHRjOOiadflXs5tGQc4Cm3jWsl5WXYfpIyHqP4kYzAcDwicPnQ/640?wx_fmt=jpegWASP-39b紧密围绕自己的恒星运行，这让它成为一颗热系外行星（如艺术想象图所示）。来源：NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted （STScI）带来这一发现的绘图数据没有韦布过去的图像那么炫目（那些图片展示了宇宙中起舞的星系，以及恒星形成区的辐射云），不过NASA系外行星科学研究所的天文学家Jessie Christiansen仍不由得称之为“华丽”。
这张图，或者说光谱，揭示了系外行星WASP-39b大气的详细信息，这颗行星被科学家称为“热木星”，因为它的直径略大于木星，而它围绕自己恒星的轨道比水星离太阳近得多，所以极为高热。这颗行星距离地球200多秒差距，起初是在地面观测中发现的，后来被NASA的斯皮策望远镜观测到，这台望远镜在2003-2020年间运行。它的数据表明，WASP-39b的大气可能含有二氧化碳，但结论尚不确定。https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/0OWoGbRW1ic8tqIUbnHSp2W4K5ygd0qQhaK8ib6IU13wicu9pJ1zK0zUiaxziaNme9mrgbpVfyMKnicK2Rt08aAJycuA/640?wx_fmt=jpeg研究人员在WASP-39b经过其恒星前方时，在其大气中检测到了二氧化碳。数据图呈现了恒星光的红外波长被系外行星的二氧化碳吸收，产生了一个指示性光点。来源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak （STScI），Joseph Olmsted（STScI）然后有了韦布。7月10日的8个多小时里，这台红外望远镜观察了这颗行星在其恒星面前穿过。在此期间，恒星照亮了这颗行星的大气层，其中的诸多分子吸收特定波长的红外光。天文学家想知道，二氧化碳会不会在光谱中显示出一个明显的亮点。“而它真在那里——跃上了电脑屏幕。” Natalie Batalha说。她是加州大学圣克鲁兹分校的天文学家，领导韦布的凌日系外行星社区早期发布科学团队。
Batalha不是一个人。Christiansen看到数据的时候（她不是团队成员）惊呼了出来。“我当时觉得，‘哦，来了！’”她说，“线索以前就有，但这是首次真正‘命中红心’的探测。”神秘起源这个结果，让人们对今后韦布对系外研究带来的革命性影响更有信心了。在它运行的第一年，这座望远镜已被委派观测76颗系外行星，但最终记录可能达到上百个。它将凝望气态巨行星，和与地球可能差不多的的小小岩石行星。“我看到这些信号的第一个想法是，‘哇，这事能成了’。”Batalha说。
不过，二氧化碳的发现本身也是个大事。“从科学角度说，这非常让人兴奋。” Jonathan Fortney说，他是加州大学系内外行星实验室（Other Worlds Laboratory）负责人，也是这篇论文的共同作者。可以预期，一个类似木星的行星，由恒星的相同物质盘构成，也将与该恒星拥有大致相同的化学组成。但在我们的太阳系中不是这样，WASP-39b也不是。这颗系外行星的强烈二氧化碳信号表明它富含比氢氦更重的元素，而氢和氦通常构成恒星。问题是，为什么？
“这就是有趣之处了，” Batalha说。可能WASP-39b在年轻的时候被彗星和小行星大举轰炸过，它们带来了更重的元素如碳和氧。有趣的是，这颗系外行星似乎有着和土星一样多的重元素，而天文学家认为土星也经历过狂暴的“幼年”。
或者，也可能是WASP-39b是由其行星系统寒冷外围的物质形成，然后向内迁移。在最终落脚处，它紧靠着它的恒星，这可能炸飞了这颗行星大气中的一些氢——较重元素变得集中，让它看起来有更丰富的二氧化碳。Fortney、Batalha和同事现在正在写作四篇论文，将详细分析这颗行星的光谱，并进一步探究这些可能性。
“这就像考古学，”Batalha说，“你试图建起一个宏大的故事——而你用分子本身，在故事里按图索骥。”生命基石在一颗行星的大气中发现二氧化碳，是探测地外生命的一块踏脚石。当然，天文学家没指望WASP-39b能承载生命——它离它的恒星太近了。他们也没有指望韦布一定能在其他行星上发现生命。但用韦布探测二氧化碳，将为未来的发现打下基础。
天文学家认为，行星大气中二氧化碳和甲烷的混合物，可能会是生命存在的一个指示标志——所谓“生命信号”。因此，WASP-39b“往好的生命信号方向走了一半”，Christiansen说。Batalha的团队建立了一个模型，预测这个行星的大气还含有水、一氧化碳和硫化氢——但几乎没有甲烷。
最终，对生命的探测可能需要一个比韦布更先进的望远镜。但是，Batalha说，“这是一个我们需要经历的极为重要的阶段，为未来科技做好准备。”参考文献：1. Ahrer, E.-M. et al. Preprint at https://doi.org/10.48550/arXiv.2208.11692 (2022).2. Faedi, F. et al. Astron. Astrophys.531, A40 (2011).3. Wakeford, H. R. et al. Astron. J. 155, 29 (2018).
原文以Webb telescope spots CO2 on exoplanet for first time: What it means for finding alien life为标题发表在2022年8月29日《自然》的新闻与观点版块上
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