詹姆斯·韦伯太空望远镜——早已因其迷人的宇宙图像而闻名——再次创造了奇迹。该望远镜首次捕捉到太阳系外行星大气层中存在二氧化碳的明确证据。
这项发现不仅为系外行星如何形成提供了诱人的线索，也预示着韦伯望远镜研究越来越多的外星世界将会取得更多成果。该发现已在一份预印本服务器 arXiv 上的手稿中报告，在同行评审之前发布，预计将在未来几天内在《自然》杂志上发表。（《自然》杂志的新闻团队独立于其期刊团队。）
尽管导致这一发现的绘图数据缺乏韦伯望远镜之前图像的光彩——之前的图像展示了在宇宙之舞中锁定的星系和恒星摇篮中闪耀的光芒——但它们仍然促使 NASA 系外行星科学研究所（位于加州理工学院帕萨迪纳分校）的天文学家杰西·克里斯蒂安森将它们描述为“ великолепный” (gorgeous，极好的)。
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该图或光谱揭示了有关系外行星 WASP-39b 大气层的详细信息，科学家称其为“热木星”，因为它直径略大于木星，但比水星更靠近太阳运行，使其异常炎热。这颗行星距离地球超过 200 秒差距，最初是在地面观测中发现的，后来又被 NASA 的斯皮策太空望远镜探测到，该望远镜在 2003 年至 2020 年期间运行。后者的数据显示 WASP-39b 的大气层可能含有二氧化碳，但这些数据尚无定论。
然后韦伯望远镜来了。在 7 月 10 日的八个多小时里，红外望远镜观察到这颗行星在其恒星表面移动。当它移动时，星光穿过行星的大气层，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以光谱中明显的闪烁形式出现。“结果它就在那里——直接从电脑屏幕上跳了出来，”加州大学圣克鲁兹分校 (UCSC) 的天文学家娜塔莉·巴塔利亚说，她是韦伯望远镜凌星系外行星早期发布科学团队的负责人。
巴塔利亚并非孤身一人。当非团队成员克里斯蒂安森看到数据时，她倒吸了一口气。“我就像‘哦，它就在那里’，”她说。“我们之前已经有了它的暗示，但这是第一次真正‘一拳打在脸上’的那种探测。”
神秘的起源
这一结果增强了人们对韦伯望远镜将彻底改变系外行星研究的信心。仅在其运行的第一年，该望远镜就受委托观测 76 颗系外行星，但最终数量可能会达到数百颗。它将凝视气体巨星和可能像地球一样的小型岩石世界的的大气层。“当我看到那个信号时，我的第一个想法是‘哇，这将会奏效’，”巴塔利亚说。
但二氧化碳的发现本身也令人印象深刻。“从科学的角度来看，这非常令人兴奋，”加州大学圣克鲁兹分校其他世界实验室主任、该论文的合著者乔纳森·福特尼说。可以安全地预期，像木星这样的行星，它是由与其恒星相同的物质盘形成的，其化学成分与该恒星大致相同。但这显然在我们的太阳系中并非如此，WASP-39b 也不是这样。这颗系外行星强烈的二氧化碳信号表明，它富含比氢和氦更重的元素，而氢和氦通常构成恒星。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。WASP-39b 年轻时可能遭受了彗星和小行星的轰击，这可能输送了碳和氧等较重的元素。有趣的是，这颗系外行星似乎具有与土星相同数量的重元素，天文学家也认为土星经历过一段动荡的青年时期。
或者答案可能是 WASP-39b 是由其行星系统寒冷外围区域的物质形成的，然后向内迁移。在其最终的停留地，它依偎在其主恒星旁边，这可能会吹走系外行星大气层中的一些氢——浓缩较重的元素，使其看起来更富含二氧化碳。福特尼、巴塔利亚及其同事目前正在撰写四篇论文，这些论文将更详细地分析该行星的光谱，并进一步探究这些可能性。
“这就像考古学，”巴塔利亚说。“你试图构建一个宏大的故事——并且你正在使用分子本身，作为那个故事的示踪剂。”
生命的基石
在行星大气层中发现二氧化碳是朝着探测地球以外生命迈出的一步。当然，天文学家并不期望 WASP-39b 能够孕育生命——它离它的恒星太近了。他们甚至不期望韦伯望远镜一定能在另一颗行星上找到生命。但是，使用韦伯望远镜探测二氧化碳有助于为未来的发现奠定基础。
天文学家认为，行星大气层中二氧化碳和甲烷的混合物可能是生命迹象——所谓的生物特征。因此，WASP-39b 的信号是“通往良好生物特征的一半”，克里斯蒂安森说。巴塔利亚的团队建立了一个模型，预测该行星的大气层也含有水、一氧化碳和硫化氢——但甲烷很少。
最终，探测生命可能需要比韦伯望远镜更先进的天文台。但是，巴塔利亚说，“这是一个我们必须经历的非常重要的阶段，以便为未来的技术做好准备”。
本文经许可转载，并于 2022 年 8 月 29 日首次发表。