詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 拍摄了其首张环绕遥远恒星运行的行星的直接图像。这颗名为 HIP 65426 b 的行星是一颗气体巨星，质量是木星的数倍，它围绕恒星运行的距离大约是海王星和太阳之间距离的三倍。HIP 65426 b 只有大约 1500 万年的历史——在天文术语中是新生儿——距离地球约 350 光年。
您可能不会对这些新的行星照片的细节水平印象深刻，但拍摄这些图像的研究人员肯定印象深刻。“当结果出来时，我不得不确保我看到的不是模拟图像，”英格兰埃克塞特大学天体物理学教授 萨莎·欣克利 说，他帮助领导了这项研究。“它看起来就像我们五年前撰写提案时的模型图像。”
HIP 65426 b 的图像表明，JWST 在其系外行星研究方面的表现超出了预期，系外行星研究是该望远镜的四个核心研究领域之一。这意味着 JWST 计划进行的对其他系外行星的观测可能会比研究人员预期的更加成功，并且天文学家在未来的研究周期中向 JWST 管理委员会提交提案时可以更加雄心勃勃。
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JWST 不是第一个拍摄系外行星直接照片的望远镜，但它已经证明是最好的。欣克利见证了这个领域的发展：他从事系外行星成像工作已经近 20 年了。“我真的对这项研究的技术挑战很感兴趣——不得不阻挡这些亮度令人难以置信的主恒星，它们比围绕它们运行的微弱行星亮 10,000 倍或一百万倍，”他说。
如此壮举听起来几乎不可能——就像从您在球场另一侧的座位上发现一只在明亮的体育场灯光下飞舞的微弱萤火虫。然而，凭借正确的技术，可以揭示系外行星。
研究合著者 艾琳·卡特 说：“我们可以去观察一颗附近恒星，它的属性与目标恒星相似。”艾琳·卡特是加州大学圣克鲁兹分校的博士后研究员，他领导了这项系外行星成像的分析。“然后，我们可以基本上构建一个星光外观的模板，并将其减去，只留下行星。”
这听起来似乎很简单，但要使这种方法成功，需要很多事情都做对。在这种情况下，它们确实做对了——甚至比卡特和欣克利计划的还要好。
JWST 的成像灵敏度比预期的还要高。其先进的日冕仪成功地阻挡了大部分主恒星的光线。对于这项特殊的研究而言，也许最重要的是，JWST 在进行观测时保持了令人难以置信的稳定。稳定性对于从第二颗恒星获得干净的星光模板以从第一颗恒星中减去至关重要。
欣克利说：“我们看到的是，詹姆斯·韦伯非常稳定，因此 [星光] 模式在恒星之间是稳定的。”“这实际上要归功于过去 20 年来全球数千名科学家、技术人员和工程师所做的令人难以置信的工作。”
美国宇航局系外行星科学研究所主任 查尔斯·贝奇曼 帮助开发了 欣克利和卡特在其成像中使用的 JWST 研究仪器。“当你发射某些东西时，”他说，“你会按照一系列要求来构建它。然后你有一系列我们称之为‘愿望’的东西。”
由于最新的系外行星图像，现在很明显，JWST 的仪器正在实现所有人的愿望。“你得到了更清晰的图像；你的抖动更少；探测器的性能更好一些，”贝奇曼说。由于其业已证明的灵敏度和稳定性水平，JWST 有潜力直接观测到比过去任何其他望远镜都小的多的系外行星——甚至比研究人员希望的还要小。
这对未来的研究来说是个好消息，包括贝奇曼将在 2023 年 7 月至 8 月期间领导的一项研究，该研究将使用直接成像来寻找行星，就在我们最近的恒星系——半人马座阿尔法星系内。
到目前为止，天文学家只设法拍摄到比木星大几倍且轨道离恒星非常遥远的系外行星。“但我们现在从这些观测中了解到，詹姆斯·韦伯可能会让我们观测到与我们自己的土星或我们最近恒星的海王星类似的行星，”欣克利说。
剑桥大学耶稣学院的天文学研究员 塞巴斯蒂安·马里诺 可能是 JWST 超出预期的性能的受益者之一。在明年四月至六月之间，马里诺和他的同事 计划观测 被宽阔的碎片盘包围的恒星，这些碎片盘类似于土星环的巨大版本。马里诺的团队将专注于一些有明显间隙的特定星盘，其假设是尚未探测到的系外行星负责在它们围绕主恒星运行时“雕刻”这些间隙。
根据间隙的宽度，马里诺预测这些系外行星（如果存在）的质量与土星或海王星的质量大致相同。虽然探测到它们最初是一个雄心勃勃的目标，但最新的成像结果表明，正如欣克利指出的那样，JWST 能够探测到那些非常大小的行星。
马里诺说：“它比我们想象的性能更好，这一事实真的很令人鼓舞。”即使 JWST 没有找到他希望的系外行星，马里诺也很高兴望远镜能够确认这些行星不存在。（行星搜寻的一个重要但经常被忽视的方面是知道何时停止在任何给定的恒星周围寻找世界。）马里诺说，一个较弱的望远镜更有可能产生不确定的结果，而这只会延长最终可能毫无结果的搜索。
最新的系外行星图像也预示着 伊丽莎白·马修斯 的良好前景，她是日内瓦大学的博士后研究员。“对于我自己的计划，看到仪器真的会像我们在设计计划时预期的那样工作，这真是令人信服，”马修斯说。
在 2023 年 4 月至 5 月之间，马修斯 将使用 JWST 观测一颗附近的载行星恒星——印第安座 Epsilon A，仅 12 光年远。那颗恒星的系外行星印第安座 Epsilon Ab 仅通过其质量对恒星产生的微妙引力摆动而为人所知。没有人直接看到过这颗行星，但天文学家的最佳估计表明它一定相当冷，这意味着它相当古老。人们认为巨型系外行星诞生时是热的，会从它们最近的形成中辐射出大量的剩余热能。（在 JWST 的 HIP 65426 b 红外图像中看到的发光行星状斑点主要是行星自身发出的热能，而不是从其云层顶部反射的光。）
较老、较冷的行星通常太微弱而无法拍照——被它们的主恒星的强光淹没。因此，马修斯计划对一颗更成熟的行星进行成像具有挑战性，但 JWST 最近的表现表明这当然应该是可能的。马修斯说，她将她的研究设计为占用产生行星图像所需的最少时间——但现在她更加确信它将在该时间范围内成功，因为 JWST 超出预期的灵敏度相当于被授予了更多的观测时间。
现在要轻易改变 JWST 首个“周期 1”观测的计划以利用其超出预期的高对比度成像性能为时已晚，但这些早期结果肯定会让天文学家在规划未来研究时更有信心。马里诺和马修斯都建议他们下次可能会设定更大胆的研究目标。JWST 第二个观测周期的研究提案将于一月下旬到期。
在那之前，萨莎·欣克利计划与天文界联系，根据他的团队对 JWST 功能的最新理解，就如何充分利用 JWST 提出建议。欣克利说：“我们预计我们的建议将使社区能够提出尽可能强大的提案集来进行这些观测。”
在未来的研究周期中，那些被认为太小或太遥远而无法观测的目标可能会被认为是可以触及的。最终，JWST 卓越的系外行星成像工作应该有助于指导开发更雄心勃勃的天文台，这些天文台不仅可以拍摄气体巨星，还可以拍摄更小更微弱的目标：潜在可居住的、更像地球的世界。
贝奇曼说：“那些‘哇，如果我们能做到那就太幸运了’的提案进入了‘是的，我们应该能够做到’的领域。”“以及那些‘我们不可能做到’的新事物进入了‘是的，我们有机会实现它’的领域。”