韦伯望远镜首次在系外行星上发现活性化学物质

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詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)提供了迄今为止最详细的系外行星信息。在这颗名为WASP-39b的行星的大气中,有一种有趣的化学反应,形成了斑块状的云,并为这颗行星的形成提供了线索。相关观测结果以5篇论文的形式发表于11月22日预印本网站arXiv。

系外行星WASP-39b(构想图)的组成与土星相似。图片来源:Science Photo Library/Alamy

观测团队成员、德国马克斯·普朗克天文研究所(MPIA)负责人Laura Kreidberg表示:“我们以前研究过很多行星,但从未见过这样的数据集。”

WASP-39b是一颗“热木星”,距离地球约700光年,质量约为木星的三分之一,成分与土星更相似。它围绕主星运行的时间仅为4个地球日,它与主星的距离比水星与太阳的距离近8倍,温度高达900℃。

Kreidberg表示,这颗行星虽不适合生命居住,但却成为JWST观测其生命早期并测试其系外行星能力的“完美目标”。

JWST于2021年12月发射,并在今年7月观测了WASP-39b 40多个小时。初步结果显示,这颗行星的大气中有二氧化碳,这是首次在系外行星上发现二氧化碳。

JWST利用载荷仪器,观察到从这颗行星的恒星发出的穿过WASP-39b大气层的光,这一过程被称为透射光谱。这使得研究人员能够在这颗行星的大气中探测到除了二氧化碳之外的水、一氧化碳、钠、钾等物质。

研究人员还惊讶地发现了二氧化硫。它的存在表明,当来自恒星的光照射到WASP-39b的大气中时,大气中正在发生光化学反应,类似于太阳在地球大气中产生臭氧的过程。以WASP-39b为例,来自其比太阳略小的恒星的光将其大气中的水分解为氢离子和氢氧根离子,氢氧根离子与硫化氢反应生成二氧化硫。

观测结果还显示,WASP-39b上的碳氧比相对较低。观测团队成员、英国华威大学天文学家Eva-Maria Ahrer认为,这表明WASP-39b之前可能在不同的位置以冰的形式吸收了大量的水,这表明它在太阳系的更远处形成,可能木星所在的位置类似。

“热木星”的迁移可以解释它们与恒星的接近。但目前尚不清楚,这是一个可能持续数千万年的缓慢过程,还是另一颗行星或恒星的引力“推”导致的更快的过程。了解WASP-39b的组成可以帮助天文学家确定发生了哪种情况。

观测还显示,这颗行星的云层覆盖不完整,这是天文学家以前从未在系外行星上观测到的。这颗行星被潮汐锁定在其恒星上,因此由于巨大的引力,同一面总是朝向它。

观测小组联合负责人、美国芝加哥大学天文学家Jacob Bean指出,在昼夜的边界,WASP-39b只有大约60%被云覆盖,这可能是由于云在到达较热的白天时蒸发,在到达较冷的夜晚时凝结造成的。

据悉,JWST在科学研究的第一年观测了大约70颗系外行星,WASP-39b的科学研究将持续到明年6月。WASP-39b为系外行星研究提供了一个“基准”,其中包括TRAPPIST-1系统中的行星,在该系统中,一颗小红矮星被7颗地球大小的行星环绕,通过透射光谱学可以发现其中一些行星可能适合居住。

与此同时,今年12月,JWST将观察一颗名为WASP-43b的行星完成围绕其恒星的整个轨道,持续一个地球日,并揭示该行星气候和化学方面前所未有的细节。

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