JWST的最新發現:前所未見的大氣特徵

JWST

JWST(韋布空間望遠鏡)又帶來了新驚喜。

在一項最新的研究中,JWST凌星系外行星團隊揭示了構成系外行星WASP-39b大氣的原子和分子的完整清單,其中包括在系外行星上檢測到的第一個光化學的副產物

系外行星WASP-39b,距離地球約700光年。(圖/NASA, ESA, CSA, J. Olmsted)

先前,其他一些空間望遠鏡,包括哈勃與斯皮策,都對這顆行星進行過觀測,並發現了它的大氣中某些成分。數月前,JWST的初步觀測結果首次明確檢測到了這顆系外行星大氣中的二氧化碳。

當時,團隊還在他們的結果中注意到了一個有趣的特徵,但沒有確定造成這一特徵的分子為何。

現在,他們已經確定,這個「神秘分子」是二氧化硫,並確定它是由光化學產生的。他們還發現了其他一些特徵。團隊在一組新論文(共5篇)中報道了他們的最新發現,其中三篇已正式發表,兩篇正在評議中。

光化學的產物

WASP-39b是一顆與土星質量相當的熾熱的氣態巨行星,它的軌道非常接近宿主星,它離中心恆星的距離大約只有水星與太陽之間距離的八分之一。那裡溫度很高,是數量豐富的熱木星類型的系外行星中的典型代表。這些特徵也讓它成了研究宿主星的輻射對系外行星影響的天然實驗室

研究團隊在這顆行星從宿主恆星前面經過時,對它進行了觀測,這讓他們能夠分析穿過行星大氣的星光,並藉助光譜學將光分離成它的組成波長,揭示出構成這顆行星大氣層的分子「指紋」。

他們在WASP-39b的四次凌星中獲得了透射光譜,並使用了JWST上的三種不同儀器:NIRSpec、NIRISS和NIRCam。這產生了覆蓋1至5微米的紅外波長的透射光譜資料。寬泛的波長覆蓋提供了有關大氣狀況的更完整圖景。此外,每次凌星觀測,都會產生不同但重疊的波長的行星光譜,這也能夠測試儀器的可重複性。

圖片顯示了來自JWST的三臺儀器在四種模式下運行得到的透射光譜。左上方圖中,NIRISS資料顯示了鉀、水和一氧化碳的分子指紋。右上方圖中,NIRCam資料顯示了一個突出的水特徵。左下方的NIRSpec資料則顯示了水、二氧化硫、二氧化碳和一氧化碳。右下方更多NIRSpec資料顯示了所有這些分子以及鈉。(圖/NASA, ESA, CSA, J. Olmsted)

研究人員在WASP-39b的大氣中觀察到了大量原子和分子,包括鈉、鉀、水、二氧化碳、一氧化碳和「神秘分子」二氧化硫。

他們注意到,這種分子的存在只能用光化學來解釋。光化學是大氣中的化學反應,它由宿主星的光碟機動,這個過程類似於地球大氣中的光化學反應形成了臭氧。

這顆系外行星大氣中存在的二氧化硫,只能用光化學來解釋,也就是由高能星光引發的化學反應。(圖/NASA, JPL-Caltech/Robert Hurt; Center for Astrophysics-Harvard & Smithsonian, Melissa Weiss)

在像WASP-39b這樣的熱木星系外行星的大氣中發現光化學相當重要,這讓科學家能夠測試他們的光化學模型,並開闢新的探索途徑。

更多資訊

此外,用於識別分子的過程也提供了關於元素丰度比的資訊,比如,碳與氧的比率和鉀與氧的比率,它們可以成為追蹤行星形成過程的線索。

WASP-39b的化學清單表明,這顆行星具有一段較小天體粉碎和合並的歷史,這些更小的天體被稱為星子,它們最終形成了一顆巨大的行星。硫相對於氫的丰度表明,這顆行星可能經歷了大量星子吸積,這個過程可以將這些成分送到行星的大氣中。

觀測資料還顯示,大氣中的氧比碳要豐富得多。這可能暗示,WASP-39b最初是在遠離中心恆星的地方形成的。資料還揭示了這顆系外行星大氣中的斑駁雲層的證據

研究人員相信,對恆星與行星之間的聯繫有了更深入的理解,就能更加了解這些過程如何創造出了銀河系中觀察到的行星的多樣性。

未來,JWST還有機會對更多系外行星進行探索,這包括探測像TRAPPIST-1系統中那些較小的巖質行星的大氣。

#創作團隊:

撰文:Takeko

排版:雯雯

#參考來源:

https://news.ucsc.edu/2022/11/exoplanet-spectra.html

https://pweb.cfa.harvard.edu/news/new-jwst-exoplanet-atmosphere-never-seen

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-webb-reveals-an-exoplanet-atmosphere-as-never-seen-before

#圖片來源:

封面圖&首圖:Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian

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