今日视点:韦布在系外行星大气中发现二氧化碳,意味着什么?
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)
(资料图片)
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)
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 CO2on 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
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