天文学家在一颗系外行星的大气层中首次探测到二氧化碳的明确信号

今天，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）宣布了一项令人兴奋的早期科学成果：首次明确探测到一颗系外行星大气中的二氧化碳。这是首次在太阳系外的行星上发现二氧化碳的详细证据。

上图：WASP-39 b 及其恒星的概念图。

这颗行星被命名为“WASP-39b”，是一颗热气体巨星，质量与土星大致相当，位于700光年外一颗类太阳恒星的非常近的轨道上。

这颗行星是在2011年被 WASP（广角行星搜索）联盟发现的，当时这颗行星正从它的主星前经过，发现它使用的是地面望远镜。

随后，哈勃和斯皮策太空望远镜对这颗系外行星的观测显示，它的大气中有大量的水蒸气，以及钠和钾。但是现在，JWST 无与伦比的红外灵敏度已经证实了这个星球上也存在二氧化碳。

马里兰大学天文学副教授伊莉莎·肯普顿（Eliza Kempton）说：“我们之前无法确定 WASP-39b 大气中的二氧化碳的原因是，我们从来没有一台望远镜可以产生正确波长范围内的光谱。这一发现向我们表明，韦伯正在兑现其成为天文观测转型设施的承诺。”伊莉莎·肯普顿是这一发现的研究团队中的一员。

加州大学圣克鲁兹分校的娜塔莉·巴塔利亚（Natalie Batalha）是该研究小组的负责人，她说：“这也是我们非常自豪的一项开放科学领域无与伦比的实验。来自世界各地的300多名科学家参加了这次活动。”

该团队的论文现在发表在 arXiv 上，但它也已被《自然》杂志接受发表，并将于下周在网上发表。

上图：韦伯近红外光谱仪 (NIRSpec) 的一系列光变曲线显示了随着时间的推移，当行星于 2022 年 7 月 10 日凌日时，来自 WASP-39 恒星系统的三种不同波长（颜色）的光的亮度变化。

作为碳循环的一部分，二氧化碳自然存在于地球大气中，但人类活动也在不断地排放二氧化碳。科学家们认为，在另一个世界的大气中发现二氧化碳，是寻找地外生命化学生物示踪剂的重要一步。

研究系外行星大气是詹姆斯韦伯望远镜备受期待的研究领域之一。研究小组使用该望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）对 WASP-39b 进行观测。

天文学副教授伊莉莎·肯普顿表示，他们收到了光谱的早期版本（在任何人标记其特征之前），二氧化碳的存在立即被发现。

伊莉莎·肯普顿解释道：“对于像我这样以模拟系外行星大气为生的人来说，光谱的形状是不会出错的。这与之前所有的系外行星大气观测非常不同，我们通常会经历一个更复杂的过程，将许多不同的可能的大气模型与数据进行比较，以说服我们自己，我们已经探测到一个特定的原子或分子。在韦伯观测 WASP-39b 时，二氧化碳就在肉眼可见的地方，向我们招手:‘你好！我在这里!’”

这颗系外行星的大气光谱显示，它是一个介于4.1到4.6微米之间的小“山丘”。肯普顿解释说，在系外行星透射光谱的3到5.5微米范围内，从来没有其他天文台测量过如此细微的不同颜色的亮度。

获取这部分光谱对于测量诸如水、甲烷以及二氧化碳等气体的丰度至关重要，这些气体被认为存在于许多不同类型的系外行星中。

2022 年 7 月 10 日，JWST 观察了 WASP-39 八小时，测量其亮度并等待它被行星 WASP-39b 遮蔽。 负责人娜塔莉·巴塔利亚解释说，这与 NASA 的开普勒和 TESS 任务用于寻找系外行星的凌日技术相同，但有一个关键区别。

娜塔莉·巴塔利亚继续道：“开普勒和TESS在‘白光’中观测凌日，而 JWST 可以同时观测到数百种颜色的凌日。JWST 可以做到这一点，因为它配备了光谱仪，可以将白光传播到红外彩虹色。在 WASP-39b 上探测到如此清晰的二氧化碳信号，对于检测较小的类地行星上的大气来说是个好兆头。”

在凌日过程中，一些星光被行星完全遮蔽，导致星光变暗。但有些光是通过行星的大气层传播的。因为，不同的气体吸收不同的颜色组合，研究人员可以通过分析透射光在光谱中亮度的微小差异，从而确定大气的确切组成成分。

上图：韦伯的近红外光谱仪 (NIRSpec) 于 2022 年 7 月 10 日捕获的热气巨行星 WASP-39 b 的透射光谱揭示了太阳系外行星大气中二氧化碳的第一个确凿证据。

WASP-39b 的轨道非常接近它的恒星（大约只有太阳和水星之间距离的八分之一），在4个地球日多一点的时间内完成一圈轨道运行。由于已知 WASP-39b 的大气层和频繁的凌日现象，研究小组知道它是一个理想的早期目标。

位于巴尔的摩太空望远镜科学研究所的 ESA Webb MIRI 仪器和校准科学家莎拉·肯德鲁（Sarah Kendrew）说：“看到 ESA NIRSpec 仪器在任务的早期产生了这些令人难以置信的数据，这是令人惊讶的，我们知道我们仍然可以继续提高数据质量。”

詹姆斯韦伯太空望远镜的研究小组表示，了解一颗行星的大气层组成很重要，因为它能告诉我们行星的起源和演化过程。

这些最初的结果只是个开始。早期发布的《科学》杂志的数据显示，韦伯的表现很好，更小、更冷的系外行星（更像我们自己的地球）就在它的触手可及之处。

该团队希望这个早期版本能够支持并鼓励其他团队协作，并共享 JWST 现在开始产生的大量数据。

来自英国牛津大学的费雯·帕门蒂埃（Vivien Parmentier）解释说：“我们的目标是快速分析早期释放科学观测结果，并开发供科学界使用的开源工具。这使得来自世界各地的贡献成为可能，并确保未来几十年的观测将产生最好的科学。”

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