詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 窥视了一颗 26 光年外的岩石行星，发现了水蒸气的迹象。这项发现将标志着天文学家首次成功辨别出我们太阳系以外的岩石行星的大气层。在一个小世界上发现水蒸气也将是在地球以外寻找宜居行星方面迈出的重要一步，因为水对于我们所知的生命至关重要。
然而，对于水蒸气同样可能的解释给这项可能具有里程碑意义的结果蒙上了一层模糊性。行星宿主恒星上磁活动的斑点也可能成为水蒸气的来源。最终解开这个谜团将需要使用各种仪器进行进一步的观测。
密歇根大学的天体物理学家瑞安·麦克唐纳说：“仅仅知道另一个恒星周围的岩石行星上可能存在水，就已经是意义非凡的事情了。” 同时，他说，“在科学领域，最好扮演一下魔鬼代言人的角色”，而不是过度承诺一个最终被证明是不正确的结果。一篇详细介绍麦克唐纳和他的同事对水蒸气分析的预印本论文于 5 月 1 日发布，该研究已被接受在《天体物理学杂志快报》上发表。
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该团队最初计划在岩石行星大气层中寻找二氧化碳的特征。研究人员的目标是 GJ 486 b，这是一颗围绕室女座红矮星运行的岩石行星。使用 JWST 的近红外光谱仪 (NIRSpec) 仪器，他们观察到这颗行星从地球的角度看穿过其恒星表面——这种现象称为凌星。这使得该团队能够收集一小部分穿过行星高层大气层的星光——假设这个世界完全有大气层。这种光对于天文学家来说尤其珍贵，因为它可能携带行星大气中各种分子的印记。例如，水蒸气优先吸收特定波长或颜色的光。使用 GJ 486 b 的两次凌星产生的光形成彩虹状的“光谱”——一种称为透射光谱的技术——揭示了深色的吸收线，这些吸收线很像条形码，可以读取以揭示那里是否存在水蒸气。
GJ 486 b 的估计表面温度为 800 华氏度，与金星相当，当然不在被认为是宜居或类地行星的范围内。它距离其宿主恒星太近，以至于行星的大气层可能早已被恒星耀斑和其他爆发侵蚀殆尽。鉴于如此恶劣的条件，该研究的主要作者、亚利桑那大学的行星科学家萨拉·莫兰说，她很惊讶地看到表明大气层探测的信号。“当我将其与我的大气模型进行比较时，我更加惊讶，它与水的拟合度如此之高，”莫兰说。
最初，研究人员认为他们一定是在行星大气层的高处看到了水蒸气。“但我们立即退后一步说，‘还有哪些其他的解释？’”莫兰说。
一个相互竞争的场景来自红矮星比我们的太阳更小、更暗和更冷这一事实。这意味着它们表面上的星斑——所有恒星上都存在的黑暗、高度磁化的区域，其温度低于周围环境——尤其寒冷，并且可能足够低以维持水蒸气的形成。在 JWST 发射前几年的 2018 年，亚利桑那大学的一个研究团队意识到，红矮星星斑可能是一个麻烦的污染源，可能会模仿来自伴随系外行星的真实大气信号。考虑到这一点，莫兰和她的同事统计计算了大气起源对水蒸气信号的解释程度，或“拟合”程度，以及来自假设星斑的恒星模型的拟合程度。结果是每个场景的拟合度几乎相同。从统计学上讲，如果您想像专家一样确定这颗特定的行星是否含有水蒸气，您只需抛硬币即可。
一些模糊性是由于水卓越的物理特性造成的。麦克唐纳说，如果 JWST 仪器检测到强烈的二氧化碳分子信号，那将是行星独有的。“事实证明，水是一种不幸的分子，它在非常广泛的温度范围内都非常稳定，”他说。
虽然 NIRSpec 足以检测二氧化碳，但水蒸气的检测却岌岌可危地处于该仪器能力的边缘。莫兰说，如果不使用覆盖更宽波长范围的各种仪器进行观测，结论可能仍将是模糊的。
麦克唐纳说：“今年是观测的第一年。” “我们有点在摸索如何对行星建模，如何对恒星建模，如何进行观测。一开始总是会有点混乱。” 尽管如此，他对团队正处于学习曲线的上升期感到乐观，以找出使用 JWST 了解更多关于小型行星大气层的最佳观测策略。
如果事实证明水蒸气来自行星而不是恒星，那将意味着 GJ 486 b 拥有大气层。如果一颗表面温度如此之高且轨道如此危险地靠近其宿主恒星的行星能够维持大气层，那么想必轨道更温和的较冷世界应该提供更好的宜居性机会。莫兰说，即使事实证明星斑是信号的来源，这也为研究人员提供了更多了解磁场和其他恒星天体物理学怪癖的机会，这些怪癖允许水蒸气在红矮星本身上产生。
芝加哥大学的天体物理学家雅各布·比恩说：“我对这个结果是模棱两可的并不感到惊讶”，他没有参与这项研究。他说，透射光谱学受到稀薄大气层的挑战，例如可能环绕 GJ 486 b 的大气层。比恩说，相反，一种称为热辐射的技术可以提供更明确的结果。在这种方法中，天文学家直接测量行星的红外辉光，通常是通过观察世界穿过其恒星后面并被其遮蔽，这使得可以从恒星的热信号中辨别出行星的热信号。跨越世界受光照的白天侧和黑暗的夜晚侧的模糊热辐射将表明存在一些介质用于输送来自入射星光的热量——即大气层。
在接下来的几个月中，亚利桑那大学天文学家梅根·曼斯菲尔德领导的团队将使用 JWST 对 GJ 486 b 进行此类热辐射观测——比恩说，这将“大大澄清情况”。但是，虽然热辐射可能更肯定地表明行星周围是否存在大气层，但它无法揭示有关可能的大气层化学成分的太多信息。“我们仍然处于我们能够理解的边缘，”曼斯菲尔德说。“我认为进行所有这些不同类型的测量仍然是好的。”
约翰·霍普金斯大学的天文学家凯文·史蒂文森也同意，进行更宽波长范围的观测是关键。关于小型岩石系外行星的最佳数据不能仅通过一种类型的观测来解答。“我认为获得凌星和掩食的组合将为您提供最多的信息，”他说。
史蒂文森预测，在未来一年左右的时间里，天文学家应该收集到足够的数据，以明确宣布 GJ 486 b 是否拥有大气层。“然后，当然，我们可以跟进更多的行星，并更好地了解整个星系，”他说。“这真的仅仅是开始。”