在系外行星的大气中，发现第一个光化学的证据

JWST（韦布空间望远镜）又带来了新惊喜。

在一项最新的研究中，JWST凌星系外行星团队揭示了构成系外行星WASP-39b大气的原子和分子的完整清单，其中包括在系外行星上检测到的第一个光化学的副产物。

系外行星WASP-39b，距离地球约700光年。（图／NASA, ESA, CSA, J. Olmsted）

先前，其他一些空间望远镜，包括哈勃与斯皮策，都对这颗行星进行过观测，并发现了它的大气中某些成分。数月前，JWST的初步观测结果首次明确检测到了这颗系外行星大气中的二氧化碳。

当时，团队还在他们的结果中注意到了一个有趣的特征，但没有确定造成这一特征的分子为何。

现在，他们已经确定，这个“神秘分子”是二氧化硫，并确定它是由光化学产生的。他们还发现了其他一些特征。团队在一组新论文（共5篇）中报道了他们的最新发现，其中三篇已正式发表，两篇正在评议中。

光化学的产物

WASP-39b是一颗与土星质量相当的炽热的气态巨行星，它的轨道非常接近宿主星，它离中心恒星的距离大约只有水星与太阳之间距离的八分之一。那里温度很高，是数量丰富的热木星类型的系外行星中的典型代表。这些特征也让它成了研究宿主星的辐射对系外行星影响的天然实验室。

研究团队在这颗行星从宿主恒星前面经过时，对它进行了观测，这让他们能够分析穿过行星大气的星光，并借助光谱学将光分离成它的组成波长，揭示出构成这颗行星大气层的分子“指纹”。

他们在WASP-39b的四次凌星中获得了透射光谱，并使用了JWST上的三种不同仪器：NIRSpec、NIRISS和NIRCam。这产生了覆盖1至5微米的红外波长的透射光谱数据。宽泛的波长覆盖提供了有关大气状况的更完整图景。此外，每次凌星观测，都会产生不同但重叠的波长的行星光谱，这也能够测试仪器的可重复性。

图片显示了来自JWST的三台仪器在四种模式下运行得到的透射光谱。左上方图中，NIRISS数据显示了钾、水和一氧化碳的分子指纹。右上方图中，NIRCam数据显示了一个突出的水特征。左下方的NIRSpec数据则显示了水、二氧化硫、二氧化碳和一氧化碳。右下方更多NIRSpec数据显示了所有这些分子以及钠。（图／NASA, ESA, CSA, J. Olmsted）

研究人员在WASP-39b的大气中观察到了大量原子和分子，包括钠、钾、水、二氧化碳、一氧化碳和“神秘分子”二氧化硫。

他们注意到，这种分子的存在只能用光化学来解释。光化学是大气中的化学反应，它由宿主星的光驱动，这个过程类似于地球大气中的光化学反应形成了臭氧。

这颗系外行星大气中存在的二氧化硫，只能用光化学来解释，也就是由高能星光引发的化学反应。（图／NASA, JPL-Caltech/Robert Hurt; Center for Astrophysics-Harvard & Smithsonian, Melissa Weiss）

在像WASP-39b这样的热木星系外行星的大气中发现光化学相当重要，这让科学家能够测试他们的光化学模型，并开辟新的探索途径。

更多信息

此外，用于识别分子的过程也提供了关于元素丰度比的信息，比如，碳与氧的比率和钾与氧的比率，它们可以成为追踪行星形成过程的线索。

WASP-39b的化学清单表明，这颗行星具有一段较小天体粉碎和合并的历史，这些更小的天体被称为星子，它们最终形成了一颗巨大的行星。硫相对于氢的丰度表明，这颗行星可能经历了大量星子吸积，这个过程可以将这些成分送到行星的大气中。

观测数据还显示，大气中的氧比碳要丰富得多。这可能暗示，WASP-39b最初是在远离中心恒星的地方形成的。数据还揭示了这颗系外行星大气中的斑驳云层的证据。

研究人员相信，对恒星与行星之间的联系有了更深入的理解，就能更加了解这些过程如何创造出了银河系中观察到的行星的多样性。

未来，JWST还有机会对更多系外行星进行探索，这包括探测像TRAPPIST-1系统中那些较小的岩质行星的大气。

参考来源：

https://news.ucsc.edu/2022/11/exoplanet-spectra.html

https://pweb.cfa.harvard.edu/news/new-jwst-exoplanet-atmosphere-never-seen

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-webb-reveals-an-exoplanet-atmosphere-as-never-seen-before

封面图&首图：Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian