韦伯望远镜识别出一颗系外行星大气中有甲烷

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

艺术家对温暖的系外行星WASP-80 b的渲染，由于缺乏高空云层和NASA詹姆斯韦伯太空望远镜确定的大气甲烷的存在，其颜色在人眼中可能呈蓝色，类似于我们太阳系中的天王星和海王星。图片来源：美国宇航局。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）观测了系外行星WASP-80 b在其主星的前后经过时，揭示了表明大气中含有甲烷气体和水蒸气的光谱。虽然迄今为止已经在十几颗行星中检测到水蒸气，但直到最近，甲烷——一种在我们太阳系内的木星、土星、天王星和海王星大气中大量发现的分子——在用天基光谱学进行研究时，在凌日系外行星的大气中仍然难以捉摸。

来自湾区环境研究所（BAERI）的泰勒·贝尔（Taylor Bell）在加利福尼亚州硅谷的美国宇航局艾姆斯研究中心工作，以及来自亚利桑那州立大学的路易斯·韦尔班克斯（Luis Welbanks）向我们详细介绍了在系外行星大气中发现甲烷的重要性，并讨论了韦伯的观测如何促进了这种长期追捧的分子的鉴定。这些发现最近发表在《自然》杂志上。

“WASP-80 b的温度约为825开尔文（约1,025华氏度），是科学家所说的'温暖的木星'，这些行星的大小和质量与我们太阳系中的木星相似，但温度介于热木星之间，如1,450-K（2,150-F）HD 209458 b（发现的第一颗凌日系外行星）， 还有冷木星，就像我们自己的木星一样，大约是125K（235F）。

“WASP-80 b每三天绕着它的红矮星转一圈，位于天鹰座，距离我们163光年。因为这颗行星离它的恒星很近，而两者都离我们很远，所以即使是像韦伯这样最先进的望远镜，我们也无法直接看到这颗行星。取而代之的是，研究人员使用凌日法（已用于发现大多数已知的系外行星）和日食法研究来自恒星和行星的组合光。

“使用凌日法，当行星从我们的角度移动到恒星前面时，我们观察了该系统，导致我们看到的星光变暗了一点。这有点像有人从一盏灯前经过，灯光变暗了。

“在这段时间里，围绕行星昼夜边界的行星大气层的薄环被恒星照亮，在行星大气层中的分子吸收光的某些颜色的光下，大气层看起来更厚，阻挡了更多的星光，与大气层看起来透明的其他波长相比，导致更深的变暗。这种方法可以帮助像我们这样的科学家通过观察哪些颜色的光被阻挡来了解地球的大气层是由什么组成的。

“同时，使用日食方法，我们观察了这个系统，因为这颗行星从我们的视角从它的恒星后面经过，导致我们接收到的总光量再次小幅下降。所有物体都会发出一些光，称为热辐射，发射光的强度和颜色取决于物体的热度。

“就在日食前后，这颗行星的热日侧指向我们，通过测量日食期间光线的下降，我们能够测量出这颗行星发出的红外光。对于日食光谱，行星大气中分子的吸收通常表现为行星在特定波长下发射光的减少。此外，由于这颗行星比它的主星小得多，也更冷，因此日食的深度比凌日的深度小得多。

WASP-80 b的过境光谱（上）和日食光谱（下）来自美国宇航局詹姆斯韦伯太空望远镜上NIRCam的无狭缝光谱模式。在这两种光谱中，都有明确的证据证明水和甲烷的吸收，其贡献用彩色轮廓表示。在凌日期间，行星从恒星前方经过，在凌日光谱中，分子的存在使行星的大气层在某些颜色上阻挡更多的光，导致这些波长的更深的变暗。在日食期间，行星经过恒星后面，在这个日食光谱中，分子吸收了行星以特定颜色发出的一些光，与凌日相比，导致日食期间亮度下降较小。图片来源：BAERI/NASA/Taylor Bell。

“我们所做的初步观察需要转化为我们称之为光谱的东西；这本质上是一种测量方法，显示行星大气层在不同颜色（或波长）的光下阻挡或发射了多少光。有许多不同的工具可以将原始观测结果转化为有用的光谱，因此我们使用了两种不同的方法来确保我们的发现对不同的假设具有鲁棒性。

“接下来，我们使用两种模型来解释这个光谱，以模拟行星在这种极端条件下的大气层会是什么样子。第一种类型的模型是完全灵活的，它尝试了数百万种甲烷和水的丰度和温度组合，以找到与我们的数据最匹配的组合。第二种类型称为“自洽模型”，也探索了数百万种组合，但利用我们现有的物理和化学知识来确定可以预期的甲烷和水的水平。

“两种模型类型得出了相同的结论：甲烷的明确检测。

“为了验证我们的发现，我们使用了稳健的统计方法来评估我们检测到随机噪声的可能性。在我们的领域，我们认为“黄金标准”是所谓的“5-sigma检测”，这意味着由随机噪声引起的检测几率是170万分之一。同时，我们在凌日光谱和日食光谱中都检测到了6.1西格玛的甲烷，这使得每次观测中虚假检测的几率为9.42亿分之一，超过了5西格玛的'黄金标准'，并增强了我们对这两项检测的信心。

“通过如此自信的探测，我们不仅发现了一种非常难以捉摸的分子，而且我们现在可以开始探索这种化学成分告诉我们关于地球诞生、生长和进化的信息。例如，通过测量地球上甲烷和水的含量，我们可以推断出碳原子与氧原子的比例。

“预计这个比例会根据行星在其系统中形成的地点和时间而变化。因此，研究这种碳氧比可以提供线索，说明这颗行星是在逐渐向内移动之前是在靠近其恒星还是更远的地方形成的。

“让我们对这一发现感到兴奋的另一件事是，最终有机会将太阳系外的行星与太阳系内的行星进行比较。美国宇航局有向太阳系中的气态巨行星发送航天器以测量其大气中甲烷和其他分子含量的历史。现在，通过测量系外行星中的相同气体，我们可以开始进行'苹果对苹果'的比较，看看太阳系的期望是否与我们在太阳系外看到的期望相匹配。

“最后，当我们展望韦伯的未来发现时，这一结果表明，我们正处于更令人兴奋的发现的边缘。MIRI和NIRCam对WASP-80 b和Webb的额外观测将使我们能够探测不同波长光下大气的特性。我们的发现使我们认为，我们将能够观察到其他富含碳的分子，如一氧化碳和二氧化碳，使我们能够更全面地描绘出这颗行星大气中的状况。

“此外，当我们在系外行星中发现甲烷和其他气体时，我们将继续扩展我们对化学和物理学如何在不同于地球上的条件下工作的知识，也许在不久的将来，在其他星球上，提醒我们我们在家里所拥有的。有一点很清楚——詹姆斯·韦伯太空望远镜的发现之旅充满了潜在的惊喜。

原标题：《韦伯望远镜识别出一颗系外行星大气中有甲烷》

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