本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Shannon Hall，原文标题：《韦布新收获：在系外行星大气中发现二氧化碳》，头图来自：NASA


詹姆斯·韦布太空望远镜已经因其迷人的宇宙图像声名远播（参见：《韦布大片来了：临近时间尽头的夜空》），如今又有了新的斩获。这座望远镜拍摄到了首个明确证据，表明在太阳系外的行星大气中存在二氧化碳。


这一发现不仅为这颗系外行星的形成带来了引人入胜的线索，也预示着随着韦布研究越来越多的外星世界，它即将给我们带来怎样的前景。发表在预印本服务器arXiv上的一篇论文手稿[1]报告了这一发现，尚未经过同行评议，论文有望在未来几天发表在《自然》上。（《自然》新闻团队与期刊团队是编辑独立的。）


WASP-39b紧密围绕自己的恒星运行，这让它成为一颗热系外行星（如艺术想象图所示）。来源：NASA， ESA， CSA， Joseph Olmsted （STScI）<br label=图片备注 class=text-img-note>
WASP-39b紧密围绕自己的恒星运行，这让它成为一颗热系外行星（如艺术想象图所示）。来源：NASA， ESA， CSA， Joseph Olmsted （STScI）


带来这一发现的绘图数据没有韦布过去的图像那么炫目（那些图片展示了宇宙中起舞的星系，以及恒星形成区的辐射云），不过NASA系外行星科学研究所的天文学家Jessie Christiansen仍不由得称之为“华丽”。


这张图，或者说光谱，揭示了系外行星WASP-39b大气的详细信息，这颗行星被科学家称为“热木星”，因为它的直径略大于木星，而它围绕自己恒星的轨道比水星离太阳近得多，所以极为高热。这颗行星距离地球200多秒差距，起初是在地面观测中发现的[2]，后来被NASA的斯皮策望远镜观测到，这台望远镜在2003-2020年间运行。它的数据[3]表明，WASP-39b的大气可能含有二氧化碳，但结论尚不确定。


研究人员在WASP-39b经过其恒星前方时，在其大气中检测到了二氧化碳。数据图呈现了恒星光的红外波长被系外行星的二氧化碳吸收，产生了一个指示性光点。来源：NASA， ESA， CSA， Leah Hustak （STScI），Joseph Olmsted（STScI）
研究人员在WASP-39b经过其恒星前方时，在其大气中检测到了二氧化碳。数据图呈现了恒星光的红外波长被系外行星的二氧化碳吸收，产生了一个指示性光点。来源：NASA， ESA， CSA， Leah Hustak （STScI），Joseph Olmsted（STScI）


然后有了韦布。7月10日的8个多小时里，这台红外望远镜观察了这颗行星在其恒星面前穿过。在此期间，恒星照亮了这颗行星的大气层，其中的诸多分子吸收特定波长的红外光。天文学家想知道，二氧化碳会不会在光谱中显示出一个明显的亮点。“而它真在那里——跃上了电脑屏幕。” Natalie Batalha说。她是加州大学圣克鲁兹分校的天文学家，领导韦布的凌日系外行星社区早期发布科学团队。


Batalha不是一个人。Christiansen看到数据的时候（她不是团队成员）惊呼了出来。“我当时觉得，‘哦，来了！’”她说，“线索以前就有，但这是首次真正‘命中红心’的探测。”


神秘起源


这个结果，让人们对今后韦布对系外研究带来的革命性影响更有信心了。在它运行的第一年，这座望远镜已被委派观测76颗系外行星，但最终记录可能达到上百个。它将凝望气态巨行星，和与地球可能差不多的的小小岩石行星。“我看到这些信号的第一个想法是，‘哇，这事能成了’。”Batalha说。


不过，二氧化碳的发现本身也是个大事。“从科学角度说，这非常让人兴奋。” Jonathan Fortney说，他是加州大学系内外行星实验室（Other Worlds Laboratory）负责人，也是这篇论文的共同作者。可以预期，一个类似木星的行星，由恒星的相同物质盘构成，也将与该恒星拥有大致相同的化学组成。但在我们的太阳系中不是这样，WASP-39b也不是。这颗系外行星的强烈二氧化碳信号表明它富含比氢氦更重的元素，而氢和氦通常构成恒星。问题是，为什么？


“这就是有趣之处了，” Batalha说。可能WASP-39b在年轻的时候被彗星和小行星大举轰炸过，它们带来了更重的元素如碳和氧。有趣的是，这颗系外行星似乎有着和土星一样多的重元素，而天文学家认为土星也经历过狂暴的“幼年”。


或者，也可能是WASP-39b是由其行星系统寒冷外围的物质形成，然后向内迁移。在最终落脚处，它紧靠着它的恒星，这可能炸飞了这颗行星大气中的一些氢——较重元素变得集中，让它看起来有更丰富的二氧化碳。Fortney、Batalha和同事现在正在写作四篇论文，将详细分析这颗行星的光谱，并进一步探究这些可能性。


“这就像考古学，”Batalha说，“你试图建起一个宏大的故事——而你用分子本身，在故事里按图索骥。”


生命基石


在一颗行星的大气中发现二氧化碳，是探测地外生命的一块踏脚石。当然，天文学家没指望WASP-39b能承载生命——它离它的恒星太近了。他们也没有指望韦布一定能在其他行星上发现生命。但用韦布探测二氧化碳，将为未来的发现打下基础。


天文学家认为，行星大气中二氧化碳和甲烷的混合物，可能会是生命存在的一个指示标志——所谓“生命信号”。因此，WASP-39b“往好的生命信号方向走了一半”，Christiansen说。Batalha的团队建立了一个模型，预测这个行星的大气还含有水、一氧化碳和硫化氢——但几乎没有甲烷。


最终，对生命的探测可能需要一个比韦布更先进的望远镜。但是，Batalha说，“这是一个我们需要经历的极为重要的阶段，为未来科技做好准备。”


参考文献：

1. Ahrer， E.-M. et al. Preprint at https://doi.org/10.48550/arXiv.2208.11692 (2022).

2. Faedi， F. et al. Astron. Astrophys.531， A40 (2011).

3. Wakeford， H. R. et al. Astron. J. 155， 29 (2018).


原文以Webb telescope spots CO2 on exoplanet for first time: What it means for finding alien life为标题发表在2022年8月29日《自然》的新闻与观点版块上


本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Shannon Hall