概要
對WASP-39 b的觀測顯示了原子和分子的特征，以及化學(xué)活性和云層的跡象。
WASP-39 b是一顆系外行星（exoplanet），一顆不同于太陽系中任何行星的行星，這顆土星大小的龐然大物繞恒星運行的距離比水星與太陽的距離還要近。WASP-39 b是美國航空航天局（NASA）詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope）在開始常規(guī)科學(xué)操作時最先觀測的幾顆行星之一，相應(yīng)的觀測結(jié)果則令系外行星科學(xué)界興奮不已。韋布精密靈敏的儀器為我們提供了WASP-39 b大氣成分的概況，還確定了一些含量較多的成分，包括水、二氧化硫、一氧化碳、鈉和鉀。這些發(fā)現(xiàn)預(yù)示著韋布的儀器有能力對所有類型的系外行星進行廣泛的調(diào)查，包括像TRAPPIST-1系統(tǒng)中的小型巖質(zhì)行星。
NASA的詹姆斯·韋布空間望遠鏡最近取得了又一個首次：遙遠系外恒星大氣的分子和化學(xué)概況。
雖然韋布望遠鏡和其他太空望遠鏡，包括NASA的哈勃望遠鏡（Hubble）和斯皮策望遠鏡（Spitzer），之前已經(jīng)揭示了這顆炙熱行星大氣層獨立的分子、原子成分，但韋布望遠鏡的新數(shù)據(jù)提供了更為完整的成分清單，甚至是化學(xué)活性和云層的跡象。
最新數(shù)據(jù)還暗示了近距離觀測時這些云層的樣子：碎片化分散著，而不是單一均勻地包裹著這顆行星。
韋布望遠鏡的高靈敏度儀器陣列瞄準(zhǔn)著WASP-39 b的大氣層，WASP-39 b是一顆“熱土星”（hot Saturn，一顆質(zhì)量與土星相當(dāng)?shù)\行軌道比水星還要更靠近主恒星的行星），繞著一顆距離地球約700光年的恒星運行著。
這些發(fā)現(xiàn)預(yù)示著，韋布的儀器具備了科學(xué)界所期待的能力，能夠?qū)λ蓄愋偷南低庑行牵▏@其他恒星運行的行星）進行多種多樣的調(diào)查，包括觀測像TRAPPIST-1系統(tǒng)中那些較小巖質(zhì)行星的大氣層。
“我們用多種儀器對這顆系外行星進行了觀測，協(xié)同起來，這些儀器為我們提供了廣泛的紅外光譜和一整套化學(xué)成分分析，這在之前是難以獲得的。”美國加州大學(xué)圣克魯茲分校（University of California, Santa Cruz）的天文學(xué)家娜塔莉·巴塔利亞（Natalie Batalha）說，“像這樣的數(shù)據(jù)改變了游戲規(guī)則?！卑退麃唽π卵芯孔龀隽素暙I和協(xié)調(diào)。
這一系列發(fā)現(xiàn)的詳細描述通過5篇新的科學(xué)論文呈現(xiàn)出來，其中3篇正在發(fā)表，另外兩篇還在同行評議中。在這一批史無前例的發(fā)現(xiàn)中，我們首次在系外行星大氣中檢測到了二氧化硫（SO2），這種分子產(chǎn)生自行星母星的高能光所引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。在地球上，高層大氣中的保護性臭氧層也是以類似的方式產(chǎn)生的。
“這是我們第一次在系外行星上看到光化學(xué)反應(yīng)的具體證據(jù)，即由高能恒星光引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)。”英國牛津大學(xué)研究員蔡尚閔（Shang-Min Tsai）說，“我認為這為我們帶來了非常有希望的前景，（這項任務(wù)）或許能推進我們對系外行星大氣層的理解?！辈躺虚h作為第一作者發(fā)表了WASP-39 b大氣層中二氧化硫來源解釋的論文。
這帶來了另一項首次：對于那些需要充分解釋此類物理學(xué)的數(shù)據(jù)，科學(xué)家應(yīng)用了光化學(xué)計算機模型，由此產(chǎn)生的建模改進將有助于建立技術(shù)知識，用于在未來對可居住性的潛在跡象進行解釋演繹。
“運行在主恒星的輻射環(huán)境中，這顆行星會經(jīng)歷變化、逐步塑形。”巴塔利亞說，“在地球上，這些變化提供了讓生命茁壯成長的條件。”
這顆行星離它的主星很近，比水星離我們的太陽近八倍，也使它成為研究主星輻射對系外行星影響的實驗室。更好地了解恒星與行星之間的聯(lián)系，可以讓我們更深入地了解這些過程如何影響在銀河系中觀察到的行星的多樣性。
為了觀測WASP-39 b發(fā)出的光，韋布跟蹤了行星經(jīng)過其恒星前方的情況，讓部分恒星的光透過行星的大氣層。大氣中不同種類的化學(xué)物質(zhì)吸收恒星光譜的不同顏色，天文學(xué)家能根據(jù)缺失的顏色分析出行星大氣中存在哪些分子。通過在紅外光下對WASP-39 b進行觀測，韋布可以獲取在可見光下無法檢測到的化學(xué)成分。
韋布望遠鏡探測到的其他大氣成分包括鈉（Na）、鉀（K）和水蒸氣（H2O），證實了之前來自空間望遠鏡和地面望遠鏡的觀測結(jié)果，除此之外，韋布還在較長波長下發(fā)現(xiàn)了額外的水分子跡象，這是以前從未見過的。
韋布還以更高的分辨率對二氧化碳（CO2）進行了觀測，提供的數(shù)據(jù)是它之前觀測報告的兩倍。同時，韋布還檢測到了一氧化碳（CO），但數(shù)據(jù)中沒有明顯的甲烷（CH4）和硫化氫（H2S）特征，如果這兩種分子真的存在，它們的含量也會非常低。
為了獲得這幅WASP-39 b大氣的光譜圖，一個數(shù)百人的國際團隊獨立分析了來自韋布望遠鏡四種精細校準(zhǔn)儀器模式的數(shù)據(jù)。
“我們曾經(jīng)期待過韋布望遠鏡會為我們展示哪些信息，但它最終呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)比我實際認為還要更精確、更多樣化、更出色?！庇祭锼雇袪柎髮W(xué)（University of Bristol）的天體物理學(xué)家漢娜·韋克福德（Hannah Wakeford）說，她參與了這顆系外行星大氣的研究。
能獲得系外行星大氣層如此完整的化學(xué)成分表，也讓科學(xué)家們得以瞥見不同元素之間的豐度差異，例如碳氧比或鉀氧比。這反過來又讓我們對這顆行星甚至其他的系外行星有了更深入的了解，了解它們在生命早期是如何由圍繞在母星周圍的氣體和塵埃盤轉(zhuǎn)變而成的。
WASP-39 b大氣的化學(xué)成分揭露了名為星子（planetesimal）的較小天體撞擊、合并，最終演變成一顆巨行星的歷史。
“硫相對于氫的豐度數(shù)據(jù)表明，這顆行星可能經(jīng)歷了星子的顯著增生，數(shù)量眾多的星子可以將這些成分輸送到行星大氣中。”研究韋布數(shù)據(jù)的加州大學(xué)圣克魯茲分校系外行星研究員大野和正說，“這些數(shù)據(jù)還表明，WASP-39 b大氣中的氧比碳豐富得多，這可能表明它最初是在遠離中心恒星的地方形成的?！?/p>
在如此精確地解析系外行星大氣層的過程中，韋布望遠鏡的儀器表現(xiàn)超出了科學(xué)家的預(yù)期，并有望在銀河系種類繁多的系外行星探索中進入一個新階段。
“我們將能夠看到系外行星大氣層的宏大敘述?！泵绹的螤柎髮W(xué)研究員、分析數(shù)據(jù)的國際團隊成員勞拉·弗拉格（Laura Flagg）說，“知道這一切都將被重寫真是令人難以置信的興奮，這是作為一名科學(xué)家最好的部分之一了?！?/p>
詹姆斯·韋布空間望遠鏡是世界上首屈一指的空間科學(xué)望遠鏡，它將解開太陽系中的謎團，超越其他恒星周圍的遙遠世界，探索我們宇宙的神秘結(jié)構(gòu)和起源，以及地球在其中的位置。韋布是由NASA與歐洲航天局（European Space Agency，ESA）和加拿大航天局（Canadian Space Agency）的合作伙伴牽頭的一項國際計劃。
