韦伯望远镜发现一氧化碳2首次登上系外行星

詹姆斯韦伯太空望远镜 - 已经以其迷人的宇宙图像而闻名 - 再次做到了这一点。该望远镜已经捕获了太阳系外行星大气中二氧化碳的第一个明确证据。

这一发现不仅提供了关于系外行星如何形成的诱人暗示，而且也是随着韦伯研究越来越多的外星世界而即将发生的事情的预兆。在预印本服务器arXiv上发布的手稿中对此进行了报道1，提前进行同行评议，并有望在未来几天发表在《自然》杂志上。(《自然》杂志的新闻团队独立于其期刊团队。

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这一发现以数据图的形式呈现，没有韦伯之前图像的光泽 - 该图像显示星系锁定在宇宙舞蹈中，辐射云在恒星苗圃中。但帕萨迪纳加州理工学院NASA系外行星科学研究所的天文学家杰西·克里斯蒂安森(Jessie Christiansen)将这些数据描述为“华丽”。

该图或光谱揭示了有关系外行星WASP-39b大气层的详细信息，科学家将其称为热木星，因为它的直径与木星相似，但其恒星的轨道比水星绕太阳运行的要近得多，使其非常热。这颗距离地球超过200秒差距的行星最初是在地面观测中发现的。2后来被宇航局的斯皮策太空望远镜探测到，该望远镜在2003年至2020年间运行。后者的数据建议3WASP-39b的大气中可能含有二氧化碳，但它们尚无定论。

研究人员在WASP-39b的大气中检测到二氧化碳，当系外行星在其恒星前交叉时。数据图显示了一个明显的闪光点，其中来自恒星光的红外波长被系外行星上的二氧化碳吸收。图片来源：宇航局、欧空局、加拿大国家安全局、利亚·胡斯塔克、约瑟夫·奥姆斯特德

然后是韦伯。在7月10日的八个多小时里，红外望远镜观测到这颗行星在其恒星表面移动。在这段时间里，星光照耀着行星的大气层，各种分子吸收了特定波长的红外光。天文学家想知道二氧化碳是否会在光谱中显示为一个明显的闪光点。“它就在那里 - 只是从计算机屏幕上跳下来，”该研究的共同作者，加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)的天文学家娜塔莉·巴塔利亚(Natalie Batalha)说，她领导着韦伯的凌日系外行星早期释放科学团队。

巴塔利亚并不孤单。当不属于团队的克里斯蒂安森看到数据时，她喘不过气来。“我当时想，'哦，就是这样，'”她说。“我们以前有过这样的暗示，但这是第一次真正意义上的'打脸'式的检测。

神秘的起源

这一结果增强了人们的信心，即韦伯将成为系外行星研究的革命性者。仅在运行的第一年，望远镜就被委托观测76颗系外行星;最终的统计数字可能是在其生命周期中的数百个。它将凝视着气体巨行星的大气层和可能与地球相似的小型岩石世界。“当我看到这个信号时，我的第一个想法是，'哇，这将起作用，'”巴塔利亚说。

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但发现二氧化碳本身也令人印象深刻。“从科学的角度来看，这非常令人兴奋，”UCSC其他世界实验室主任乔纳森·福特尼(Jonathan Fortney)说，他是该论文的合著者。可以合理地预期，一颗类似于木星的行星，由与其恒星相同的物质盘形成，将具有与该恒星大致相同的化学组成。但在我们的太阳系中，情况并非如此。对于WASP-39b来说，情况并非如此。系外行星强烈的二氧化碳信号表明，它富含比通常构成恒星的氢和氦重的元素。问题是，为什么?

“这就是故事开始变得有趣的地方，”巴塔利亚说。当WASP-39b年轻时，它可能被彗星和小行星轰击，这些彗星和小行星可能会提供更重的元素，如碳和氧。有趣的是，这颗系外行星似乎含有与土星相同数量的重元素，天文学家也认为土星经历了一个暴力的青春。

或者答案可能是WASP-39b由其行星系统寒冷外围的物质形成，然后向内迁移。在它最后的休息点，它依偎在它的主星上，这本可以吹走系外行星大气中的一些氢-导致较重的元素变得更加浓缩，并使其比原来更富含二氧化碳。Fortney，Batalha和他们的同事正在研究四篇论文，这些论文将更详细地分析地球的光谱，并探索这些可能性。

“这就像考古学，”巴塔利亚说。“你正试图建立一个大故事 - 你正在利用分子本身作为这个故事的示踪剂。

生活的基石

在行星大气层中发现二氧化碳是探测地球以外生命的垫脚石。天文学家并不期望WASP-39b能够承载生命 - 它离它的恒星太近了。他们甚至不指望韦伯望远镜在另一个星球上找到明确的生命迹象。但使用韦伯来检测二氧化碳有助于为未来的发现奠定基础。

天文学家认为，行星大气中二氧化碳和甲烷的混合物可能是生命的指标 - 所谓的生物特征。WASP-39b的信号是“良好生物特征的一半”，克里斯蒂安森说。Batalha的团队已经建立了一个模型，预测地球的大气中还含有水，一氧化碳和硫化氢 - 但甲烷很少。

最终，探测生命可能需要一个比韦伯更先进的天文台。但是，Batalha说，“这是一个非常重要的阶段，我们需要经历这个阶段才能为未来的技术做好准备”。

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