詹姆斯-韦伯望远镜揭开系外行星WASP-107b蓬松大气层的秘密

系外行星 WASP-107b 及其母恒星的艺术概念图。尽管这颗相当凉爽的母恒星发出的高能光子相对较少，但它们却能深入到这颗行星蓬松的大气层中。图片来源：插图： 比利时LUCA艺术学院/ Klaas Verpoest（视觉），Johan Van Looveren（排版）。科学： Achrène Dyrek（法国原子能委员会和巴黎城市大学）、Michiel Min（荷兰 SRON）、Leen Decin（比利时鲁汶大学）/欧洲 MIRI EXO GTO 小组/欧空局/美国宇航局

WASP-107b是一颗独特的气态系外行星，它围绕着一颗比太阳温度稍低、质量稍小的恒星运行。这颗行星的质量与海王星相似，但体积要大得多，几乎接近木星的大小。这一特性使得 WASP-107b 与太阳系内的气态巨行星相比显得相当"蓬松"。这使得天文学家能够深入观测它的大气层，其深度大约是木星等太阳系巨行星的 50 倍。

韦伯的中红外仪器揭示化学成分

欧洲天文学家小组充分利用了这颗系外行星的显著蓬松性，利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）上的中红外仪器（MIRI）对其进行了观测。这次机会为深入观测它的大气层、揭开其复杂的化学成分打开了一扇窗。这背后的原因相对简单：与更紧凑的大气相比，密度较低的大气中的信号或光谱特征要突出得多。他们最近发表在《自然》（Nature）杂志上的研究报告揭示了水蒸气、二氧化硫（SO2）和硅酸盐云的存在，但值得注意的是，没有发现温室气体甲烷（CH4）的踪迹。

这些探测结果为了解这颗迷人系外行星的动力学和化学性质提供了至关重要的信息。首先，甲烷的缺失暗示着这颗行星内部可能是温暖的，这让人对这颗行星大气中的热能传输有了一丝好奇。其次，二氧化硫（因有火柴烧焦的气味而闻名）的发现也是一大惊喜。以前的计算曾预测不存在二氧化硫，但WASP-107b大气层的新型气候模型现在表明，其蓬松的性质可以容纳二氧化硫的形成。尽管这颗相当冷的主星发出的高能光子相对较少，但它们可以深入到行星的大气层。这种情况使得产生二氧化硫所需的化学反应成为可能。

JWST上的中红外仪器（MIRI）的低分辨率光谱仪（LRS）捕捉到了温暖的海王星系外行星WASP-107b的透射光谱，揭示了该行星大气中存在水蒸气、二氧化硫和硅酸盐（沙）云的证据。天文学家首先测量系外行星未凌日时的星光。这就是基线星光。当系外行星从其宿主恒星前方穿过时，会阻挡部分星光。与此同时，一些星光穿过系外行星的大气层。近红外成像仪会记录穿越过程中的总光（星光加上穿过系外行星大气层的星光）。对于每个波长，科学家通过从过境期间测得的总光中减去基线星光，计算出被行星及其大气层（白圈）遮挡的星光量。光谱覆盖的波长在 4.61 到 11.83 微米之间。这些数据得到了哈勃数据的补充，波长从 1.1 微米到 1.7 微米不等。橙色实线是与 JWST 和哈勃数据拟合的最佳模型。阴影区域表示水蒸气（红色）、二氧化硫（蓝色）和沙云（黄色）对最佳拟合模型的贡献。资料来源：Michiel Min / European MIRI EXO GTO team / ESA / NASA

WASP-107b的"天气预报"预测到了沙云

但这并不是他们发现的全部。与无云的情况相比，二氧化硫和水蒸气的光谱特征明显减弱。高空云层部分遮挡了大气中的水蒸气和二氧化硫。虽然已经通过间接方式推断出其他系外行星上存在由不同物质组成的云层，但这是天文学家首次能够明确确定云层的化学成分。在这种情况下，云层由细小的硅酸盐颗粒组成，这种物质在世界上许多地方都很常见，是沙子的主要成分。

"JWST 正在彻底改变系外行星的特征描述，以惊人的速度提供前所未有的洞察力，"领衔作者、鲁汶大学的 Leen Decin 说。"JWST的近红外成像仪在这颗蓬松的系外行星上发现了沙子、水和二氧化硫云，这是一个关键的里程碑。它重塑了我们对行星形成和演化的理解，为我们自己的太阳系带来了新的曙光"。

共同作者、来自德国海德堡马克斯-普朗克天文学研究所（MPIA）的保罗-莫利耶尔（Paul Mollière）对此表示赞同："JWST的价值无论怎样强调都不为过：无论我们用这台望远镜观察哪里，我们总能看到一些出乎意料的新东西。这项最新成果也不例外。"

WASP-107b是一颗独特的气态系外行星，它围绕着一颗比太阳温度稍低、质量稍小的恒星运行。

硅酸盐液滴的奇异大气循环

在地球大气中，水在低温下会凝结成冰，而在气态行星中，硅酸盐微粒会凝结成云，温度达到摄氏1000度左右。然而，WASP-107b 的外部大气温度高达约 500 摄氏度，根据传统模型的预测，这些硅酸盐云应该在大气深处形成，那里的温度要高得多。此外，高空沙云会向低层降雨。那么，这些沙云怎么可能存在于高海拔地区并持续存在呢？

"我们在高空看到这些沙云，肯定意味着沙雨水滴是在更深的高温层中蒸发的。由此产生的硅酸盐蒸气被有效地提升起来，"领衔作者、荷兰空间研究所（SRON）的米希尔-闵（Michiel Min）解释说。"在这里，它们重新凝结，再次形成硅酸盐云。这类似于地球上的水蒸气和云的循环，只不过是沙滴的循环。WASP-107b大气中持续存在沙云的原因就在于这种通过垂直传输进行升华和凝结的持续循环。"

这项开创性的研究揭示了WASP-107b的奇异世界，推动了我们对系外行星大气的认识。它标志着系外行星探索的一个重要里程碑，揭示了这些遥远世界上化学物质和气候条件之间错综复杂的相互作用。

詹姆斯-韦伯太空望远镜艺术家构想图。资料来源：NASA-GSFC，Adriana M. Gutierrez（CI 实验室）

JWST 和 MIRI 是探索系外行星大气的强大工具

"MPIA 很荣幸能为 MIRI 提供关键部件，"MIRI 共同首席科学家兼 MPIA 主任 Thomas Henning 说。"其中包括 MIRI 光度计和光谱仪的过滤轮，以及定位波长选择元件的机制，这些元件产生了包含化学特征的光谱。MPIA 的工作人员还为 MIRI 的地面和飞行测试提供了支持。"

"与欧洲和美国的同事们一起，我们已经建造和测试近红外成像仪近20年了。看到我们的仪器揭开了这颗引人入胜的系外行星大气层的面纱，我们感到非常有成就感，"仪器专家兼 MIRI 联合首席科学家、鲁汶大学的 Bart Vandenbussche 说。

MPIA 科学家兼观测项目共同负责人 Jeroen Bouwman 补充说："这项研究综合了对 JWST 观测数据的多项独立分析结果，不仅体现了多年来在 MIRI 仪器制造方面的投入，也体现了多年来在 MIRI 观测数据的校准和分析工具方面的投入。"

编译来源：ScitechDaily