韦伯太空望远镜正在积极探索小型的、可能适合居住的系外行星

韦伯太空望远镜正在积极探索小型的、可能适合居住的系外行星 系外行星在我们的银河系中很常见，有些甚至在恒星的所谓宜居带中运行。美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）一直忙于观测其中几颗可能适宜居住的小行星，天文学家们现在正在努力分析韦伯的数据。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的两位韦伯项目科学家克尼科尔-科隆（Knicole Colón）博士和克里斯托弗-斯塔克（Christopher Stark）博士在这里为我们详细介绍研究这些其他世界所面临的挑战：定义潜在宜居行星"潜在宜居行星通常被定义为大小与地球相近、运行在恒星'宜居带'内的行星。我们目前知道大约有30颗行星可能是像地球一样的小型岩石行星，它们的轨道位于宜居带。然而，并不能保证在宜居带中运行的行星确实是宜居的（它可以支持生命），更不用说有人居住了（它目前支持生命）。在撰写本文时，已知的宜居和有人居住的行星只有一个地球！"这张信息图比较了银河系中三类恒星的特征：类似太阳的恒星被归类为G星；质量比太阳小、温度比太阳低的恒星是K矮星；而更暗、温度更低的恒星是偏红色的M矮星。每一类恒星的宜居带大小都不同。在太阳系中，宜居带从金星轨道外开始，几乎包括火星。资料来源：NASA、ESA 和 Z. Levy（STScI）观测系外行星大气层的挑战韦伯望远镜正在观测的潜在宜居世界都是凌日系外行星，这意味着它们的轨道几乎是边缘朝上的，因此它们会从宿主恒星的前方穿过。当行星从恒星前方经过时，韦伯就会利用这个方位进行透射光谱分析。通过这个方位，我们可以检查行星大气过滤后的星光，从而了解它们的化学成分。然而，小型岩质行星稀薄的大气层阻挡的星光量非常小，通常远小于 0.02%。仅仅探测这些小星球周围的大气层就非常具有挑战性。识别水蒸气的存在则更加困难，而水蒸气的存在可能会增加宜居的可能性。寻找生物特征（生物产生的气体）异常困难，但也是一项令人兴奋的工作。当系外行星直接从其宿主恒星和观测者之间穿过时，我们说这颗行星正在其宿主恒星前凌日。这次凌日会使恒星的光线变暗一定程度，如果系外行星有大气层的话，星光也会被大气层过滤掉。该动画展示了一颗行星以及在凌日过程中光照度的相应变化。资料来源：美国宇航局喷气推进实验室目前只有少数几个可能适合居住的小世界被认为可以通过韦伯天体进行大气表征，其中包括LHS 1140 b和TRAPPIST-1 e行星。检测生物特征的技术挑战最近的一些理论工作探索了超地球大小的行星LHS 1140 b大气层中气态分子的可探测性，凸显了在搜索生物特征方面的一些挑战。这项工作指出，在大气层清晰、无云的最佳情况下，该行星需要绕其主恒星运行大约 10-50 次，相当于韦伯望远镜 40-200 小时的观测时间，才能探测到潜在的生物特征，如氨、磷化氢、氯甲烷和氧化亚氮。类地行星大气层的模拟透射光谱显示了臭氧（O3）、水（H2O）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等分子吸收的太阳光波长。(请注意，在这张图上，Y 轴显示的是被类地行星大气层遮挡的光量，而不是穿过大气层的阳光亮度：亮度从下往上递减）。来自 Lisa Kaltenegger 和 Zifan Lin 2021 ApJL 909 的模型透射光谱。资料来源：NASA、ESA、Leah Hustak（STScI）系外行星观测时间表的复杂性如果行星的大气层是多云的，那么寻找生物特征可能需要比 50 次凌日观测更多的时间。众所周知，大多数小型系外行星都有云层或雾霾，这些云层或雾霾会减弱或掩盖正在搜索的信号。这些生物特征气体的大气信号也往往与其他预期的大气信号（如气态甲烷或二氧化碳）重叠，因此区分各种信号是另一项挑战。海洋行星：研究的新途径寻找生物特征的一个潜在途径是研究大洋行星，大洋行星是理论上的一类超地球大小的行星，具有相对稀薄的富氢大气层和大量的液态水海洋。根据韦伯天文台和其他天文台目前提供的数据，超级地球K2-18 b是潜在宜居大洋行星的候选者。最近发表的工作利用近红外探测器和近红外ISS探测到了K2-18 b大气中的甲烷和二氧化碳，但没有探测到水。这意味着K2-18 b是一个拥有液态水海洋的海洋世界的说法仍然是基于理论模型，还没有直接的观测证据。这项工作的作者还暗示，K2-18 b 的大气中可能存在潜在的生物特征二甲基硫醚，但潜在的二甲基硫醚信号太弱，目前的数据还无法对其进行确凿的探测。艺术家构想的詹姆斯-韦伯太空望远镜。图片来源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez海洋类行星的概念和研究都是非常新的，因此对液态水海洋情景（从而对宜居环境的潜力）的其他解释仍在探索之中。即将使用近红外天文望远镜和近红外成像仪进行的韦伯观测，将进一步揭示潜在的大洋行星K2-18 b的性质，以及其大气层中可能存在的二甲基硫化物。因此，我们还面临着一个新的挑战，那就是确定韦伯探测到的水蒸气是否真的来自行星的大气层，而不是其恒星。结论：系外行星研究的未来探测绕冷恒星运行的小型、可能适合居住的凌日行星大气中的生物特征是一项极具挑战性的工作，通常需要理想的条件（如无云大气）或假设早期地球环境（即与我们所知的现代地球不同），探测到的信号明显小于百万分之200，恒星运行良好，星斑中没有大量水蒸气，以及大量的望远镜时间才能达到足够的信噪比。同样重要的是要记住，以任何方式探测到单一生物特征都不构成发现生命。要在系外行星上发现生命，可能需要一大批明确检测到的生物特征、来自多个飞行任务和观测站的数据，以及广泛的大气建模工作，这一过程可能需要数年时间。韦伯的强大之处在于，它能够灵敏地探测到少数最有希望围绕冷恒星运行的潜在宜居行星的大气层，并开始确定其特征。韦伯特别有能力探测一系列对生命非常重要的分子，如水蒸气、甲烷和二氧化碳。我们的目标是尽可能多地了解可能适宜居住的世界，即使我们无法通过韦伯望远镜明确确定适宜居住的特征。韦伯观测结果与美国宇航局即将发射的南希-格雷斯-罗曼太空望远镜的系外行星研究相结合，最终将为未来的 宜居世界天文台奠定基础，该天文台将是美国宇航局首个专门用于直接成像和搜寻类太阳恒星周围类地行星上生命造成的化学痕迹的任务"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

韦伯望远镜揭示意想不到的系外行星55 Cancri e的大气层

韦伯望远镜揭示意想不到的系外行星55 Cancri e的大气层 这幅艺术家的概念图展示了系外行星 55 Cancri e 的模样。巨蟹座55号也被称为"杨森"，是一颗所谓的超级地球，是一颗比地球大得多但比海王星小得多的岩质行星，它绕恒星运行的距离只有140万英里（0.015个天文单位），不到18个小时就能完成一个完整的轨道运行（水星距离太阳的距离是巨蟹座55号的25倍）。(水星距太阳的距离是巨蟹座 55 号距其恒星距离的 25 倍）该系统还包括四颗大型气体巨行星，位于巨蟹座，距地球约 41 光年。资料来源：NASA、ESA、CSA、拉尔夫-克劳福德（STScI）巨蟹座 55 是围绕巨蟹座中一颗类太阳恒星运行的五颗已知行星之一。这颗行星的直径几乎是地球的两倍，密度稍大，被归类为超级地球：比地球大，比海王星小，成分与太阳系中的岩石行星相似。伯尔尼大学空间与宜居性研究中心（CSH）的 Brice-Olivier Demory 是NCCRPlanetS 的成员，也是这项刚刚发表在《自然》杂志上的研究的共同作者。他说："巨蟹座 55 是最神秘的系外行星之一。尽管在过去的十年中，我们利用十几个地面和太空设施获得了大量的观测时间，但它的本质仍然难以捉摸，直到今天，詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）终于可以拼凑出部分谜题。"出乎意料的是，这些观测结果表明，一颗高温、高辐照度的岩质行星有可能维持气态大气，这预示着JWST有能力描述围绕类太阳恒星运行的温度较低、可能适宜居住的岩质行星的特征。来自美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的胡仁宇带领团队在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。他说："JWST确实将系外行星特征描述的前沿推向了岩质系外行星。"它真正实现了一种新型科学"。CHEOPS 的艺术印象。图片来源：ESA / ATG medialabDemory 是胡在麻省理工学院（MIT）时的同事之一，胡邀请他参加研究项目。Demory 从职业生涯一开始就一直在研究巨蟹座 55："作为麻省理工学院的博士后，我领导发现了55 Cancri e的首次凌日，2016年，我的团队发表了第一张岩石系外行星的地图，这就是55 Cancri e。"2016年的研究结果已经暗示了巨蟹座55附近可能存在大气层。在本次研究中，Demory对JWST数据集进行了独立分析。他解释说"JWST在红外波段对这一图景进行了补充，显示出超级地球55 Cancri e周围可能存在大气层，其成分与一氧化碳或二氧化碳一致"。超热的超级地球，仍然比预期的更冷虽然巨蟹座 55 e 的成分与太阳系中的岩石行星相似，但将其描述为"岩石"可能会给人留下错误的印象。这颗行星的轨道离它的恒星如此之近（一个完整的轨道持续 18 个小时，而我们的地球则是 365 天），因此它的表面一定是熔融的一个深邃的、冒着气泡的岩浆海洋。在如此紧密的轨道上，这颗行星也很可能被潮汐锁定，白天始终面向恒星，而夜晚则永远处于黑暗之中。胡解释说："这颗行星温度很高，一些熔岩应该会蒸发掉。"虽然 JWST 无法捕捉到巨蟹座 55 的直接图像，但它可以测量该行星绕恒星运行时来自该系统的光线的微妙变化。研究小组利用 JWST 的 NIRCam（近红外相机）和 MIRI（中红外仪器）测量了来自该行星的红外光。通过将行星位于恒星后方的二次日食期间的亮度（仅恒星光）减去行星位于恒星旁边时的亮度（恒星和行星发出的光总和），研究小组能够同时计算出来自行星日侧多个波长的红外光量。根据热辐射或以红外光形式散发的热能进行的温度测量，首次显示出坎昆里55号可能有大量大气层。如果这颗行星被黑暗的熔岩覆盖，只有一层薄薄的蒸发岩层，或者根本没有大气层，那么它的日面温度应该在 2200摄氏度左右。胡仁宇说："相反，MIRI数据显示的温度相对较低，约为1500摄氏度。这非常有力地表明，能量正在从白天向夜晚分布，很可能是通过富含挥发性物质的大气层。虽然熔岩流可以将一些热量带到夜侧，但它们无法有效地将热量转移到夜侧，因此无法解释冷却效应。事实上，即使热量在地球上均匀分布，白天看起来也要比白天低几百度。如果地表发出的部分红外光被大气层吸收，永远无法到达望远镜，那么这种情况就说得通了。"气泡岩浆海洋研究小组认为，覆盖在巨蟹座 55 上的气体是从内部冒出来的。由于恒星的高温和强烈辐射，原生大气早已消失。这将是由岩浆海洋不断补充的次级大气。岩浆不仅仅是晶体和液态岩石，其中还有大量溶解气体。虽然巨蟹座 55 太热，不适合居住，但它可以为研究岩质行星的大气、表面和内部之间的相互作用提供一个独特的窗口，或许还能为早期的地球、金星和火星提供启示，因为人们认为它们在很久以前就已经被岩浆海洋所覆盖。归根结底，我们希望了解是什么条件使岩质行星能够维持富含气体的大气层：这是宜居行星的关键要素。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

天文学家发现"超级蓬松"的系外行星 其密度类似棉花糖

天文学家发现"超级蓬松"的系外行星 其密度类似棉花糖 WASP-193b大约比附近的气态巨行星木星大50%，但其质量经计算仅为木星的0.14。此外，这颗行星的密度估计约为每立方厘米 0.059 克。相比之下，木星的密度接近每立方厘米 1.33 克，地球的密度为每立方厘米 5.51 克。这意味着这颗行星的密度相当于棉花糖，每立方厘米约为 0.05 克。WASP-193b属于被称为"蓬松木星"的一类行星，是迄今为止第二亮的行星，仅次于类似海王星的开普勒51d。在迄今为止发现的5400多颗行星中，它无疑是一个奇葩。西班牙安达卢西亚天体物理研究所的高级研究员弗朗西斯科-波苏埃洛斯（Francisco Pozuelos）是有关这一发现的论文的共同第一作者，他说，根据经典的进化模型，他们无法解释这颗行星是如何形成的。研究小组认为，这颗气态巨行星主要由氦和氢组成，从而形成了一个庞大的大气层，比木星的大气层还要向外延伸数万公里。仔细观察这颗行星的大气层应该会发现更多有助于缩小其进化路径的线索，他们可能会得到机会。天文学家认为，WASP-193b 是詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的理想目标。研究小组的研究成果发表在《自然》杂志上，论文题目是：木星大小的行星WASP-192b周围的扩展低密度大气层。 ... PC版： 手机版：

韦伯太空望远镜首次捕捉到系外行星WASP-107 b的内部细节

韦伯太空望远镜首次捕捉到系外行星WASP-107 b的内部细节 艺术家绘制的 WASP-107 b 概念图显示了该行星气体包层中的湍流大气混合。资料来源：Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins 大学詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据显示，WASP-107 b 的甲烷含量大大低于预期，而且其内核大得出奇，为了解其大气化学和内部动力学提供了关键信息。第一作者、约翰-霍普金斯大学布隆伯格地球与行星科学杰出教授戴维-辛（David Sing）说："观察数百光年外的行星内部听起来几乎是不可能的，但是当你知道了它的质量、半径、大气成分和内部的热度之后，你就掌握了了解内部情况以及核心有多重所需的所有信息。"现在，我们可以为不同星系中的许多不同气体行星做这件事了。"这项研究最近发表在《自然》杂志上，研究结果表明，这颗行星的甲烷含量比预期少一千倍，地核质量比地球大12倍。WASP-107 b 的艺术家概念图，这是一颗温暖的类似于海王星的系外行星，距离地球约 200 光年。图片来源：Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins 大学WASP-107 b 是一颗被炙热的大气层包裹着的巨型行星，它像棉花一样蓬松，围绕着大约 200 光年外的恒星运行。它之所以蓬松，是因为它的构造：木星大小的世界，质量只有木星的十分之一。尽管它有甲烷地球上生命的组成成分但由于其距离母恒星很近，而且缺乏固体表面，这颗行星并不被认为是宜居的。但它可能蕴藏着行星晚期演化的重要线索。在《自然》杂志发表的另一项研究中，其他科学家也用韦伯望远镜发现了甲烷，并对这颗行星的大小和密度提供了类似的见解。辛说："我们想研究与太阳系气态巨行星更相似的行星，它们的大气中含有大量甲烷。这就是WASP-107 b的故事变得非常有趣的地方，因为我们不知道为什么甲烷含量如此之低"。新的甲烷测量结果表明，当甲烷分子从行星内部向上流动时，会与上层大气中的其他化学物质和星光相互作用，转化成其他化合物。研究小组还测量了二氧化硫、水蒸气、二氧化碳和一氧化碳，发现WASP-107 b的重元素含量超过天王星和海王星。这颗行星的化学特征开始揭示行星大气在极端条件下的表现这一难题的关键部分。他的团队将在明年利用韦伯望远镜对另外25颗行星进行类似的观测。"我们从未能够详细研究系外行星大气中的这种混合过程，因此这将大大有助于我们了解这些动态化学反应是如何进行的。当我们开始研究岩石行星和生物标志物特征时，我们肯定需要这些东西。"共同领导这项研究的约翰-霍普金斯大学行星科学博士生扎法尔-鲁斯塔姆库洛夫（Zafar Rustamkulov）说，科学家们曾猜测这颗行星过度膨胀的半径是由内部热源造成的。通过将大气层和内部物理学模型与韦伯的 WASP-107 b 数据相结合，研究小组解释了这颗行星的热力学如何影响其可观测到的大气层。鲁斯塔姆库洛夫说："这颗行星有一个炙热的内核，这个热源正在改变深层气体的化学成分，同时也在推动这种从内部涌出的强烈对流混合。我们认为，这种热量正在导致气体的化学性质发生变化，特别是破坏了甲烷，使二氧化碳和一氧化碳的含量升高。"这些新发现也是科学家们能够在系外行星内部与其大气层顶部之间建立的最清晰联系。去年，韦伯望远镜在大约700光年外的一颗名为WASP-39的系外行星上发现了二氧化硫，首次证明了大气中的化合物是由星光驱动的反应生成的。约翰斯-霍普金斯大学的研究小组目前正在重点研究是什么可能使地核保持高温，并期待可能有类似于导致地球海洋潮涨潮落的力量在起作用。他们计划测试这颗行星是否受到恒星的拉伸和牵引，以及如何解释内核的高热。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新研究加强了对系外行星大气逃逸的了解 重点是分类和对宜居性的影响

新研究加强了对系外行星大气逃逸的了解 重点是分类和对宜居性的影响 系外行星的水动力逃逸系外行星即太阳系外的行星，是天文学研究的热门课题。这些行星的大气会因为各种原因离开行星进入太空。其中一个原因就是流体力学逃逸，即上层大气整体离开行星。这一过程比太阳系行星的粒子逸出过程要强烈得多。科学家们推测，在太阳系的一些行星（如金星和地球）的早期阶段，曾发生过流体动力大气逃逸现象。如果地球通过这一过程失去了整个大气层，那么它可能会变得像火星一样荒凉。然而，在地球这样的行星上已经不再发生这种强烈的逸出现象了。与此相反，太空和地面望远镜已经观测到，在一些非常靠近宿主恒星的系外行星上仍然会发生流体力学逃逸。这一过程不仅会改变行星的质量，还会影响行星的气候和宜居性。影响低质量系外行星流体动力逃逸的各种驱动机制 图源：Jianheng Guo大气逃逸机制在这项研究中，郭博士发现，富氢低质量系外行星的流体动力大气逸出可能是由行星内能、恒星潮汐力做功或恒星极端紫外线辐射加热单独或共同驱动的。在这项研究之前，研究人员不得不依靠复杂的模型来找出行星流体动力逸出的物理机制，结论往往模糊不清。这项研究提出，恒星和行星的基本物理参数，如质量、半径和轨道距离，足以对低质量行星的流体动力逸出机制进行分类。大气逃逸动力学新见解在质量小、半径大的行星上，足够的内能或高温可以推动大气逃逸。这项研究表明，利用经典的杰恩斯参数行星内能与势能的比值可以确定上述逸出是否会发生。对于内能无法驱动大气逃逸的行星，郭博士通过引入恒星的潮汐力，定义了一个升级的杰恩斯参数。有了升级后的杰恩斯参数，恒星的潮汐力和极端紫外线辐射在推动大气逸散方面的作用就可以很容易地准确区分开来。结论和影响此外，这项研究还揭示了高引力势能和低恒星辐射的行星更有可能经历缓慢的流体动力大气逃逸；否则，行星将主要经历快速的流体动力逃逸。这项研究有助于科学家了解行星的大气是如何随时间演变的，这对于探索低质量行星的演变和起源非常重要。这样，我们就能更好地了解这些遥远世界的宜居性和演化历史。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

韦伯望远镜发现外行星HD 189733 b的大气中含有硫化氢

韦伯望远镜发现外行星HD 189733 b的大气中含有硫化氢 距离地球最近的凌日热木星 HD 189733 b 的概念图。资料来源：Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins 大学一颗因其致命天气而臭名昭著的系外行星隐藏着另一个奇异的特征散发着臭鸡蛋的气味。这是约翰-霍普金斯大学对詹姆斯-韦伯太空望远镜的数据进行的一项新研究得出的结论。木星大小的气态巨行星HD 189733 b的大气层中含有微量的硫化氢，这种分子不仅会散发恶臭，还能为科学家提供新的线索，让他们了解硫这种行星的构成元素可能会如何影响太阳系外气态世界的内部和大气层。研究结果发表在今天（7 月 8 日）的《自然》杂志上。"硫化氢是一种我们不知道存在的主要分子。我们预测到了它的存在，也知道它在木星上，但我们还没有在太阳系外真正探测到它，"领导这项研究的约翰-霍普金斯大学天体物理学家傅光伟说。"我们并不是要在这颗行星上寻找生命，因为它太热了，但发现硫化氢是在其他行星上发现这种分子的垫脚石，也能让我们对不同类型的行星是如何形成的有更多了解"。除了探测到硫化氢和测量HD 189733 b大气中的总硫量外，傅先生的团队还精确测量了该行星氧和碳的主要来源水、二氧化碳和一氧化碳。傅说："硫是构建更复杂分子的重要元素，与碳、氮、氧和磷酸盐一样，科学家需要对它进行更多的研究，以充分了解行星是如何形成的，以及它们是由什么构成的。"HD 189733 b 自 2005 年被发现以来，一直是大气表征的基准行星。资料来源：Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins 大学傅说，HD 189733 b距离地球仅64光年，是天文学家能够观测到的从恒星前方经过的最近的"热木星"，自2005年被发现以来，它已成为详细研究系外行星大气的基准行星。这颗行星距离恒星的距离比水星距离太阳的距离近 13 倍，完成一个轨道只需要大约两个地球日。它的炙热温度高达华氏1700 度，天气恶劣，包括玻璃雨和每小时 5000 英里的侧风。韦伯望远镜探测到了其他系外行星中的水、二氧化碳、甲烷和其他重要分子，为科学家们追踪太阳系外气态行星中的硫化氢和测量硫提供了又一个新工具。"假设我们研究了另外100颗热木星 它们都是硫强化的。这意味着它们是如何诞生的，以及与我们的木星相比，它们的形成有何不同？"傅说。詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）是太空观测站的下一个前沿。詹姆斯-韦伯太空望远镜是为接替哈勃太空望远镜而设计的，它配备了先进的红外功能，使其能够比以往任何时候都看得更远、更详细。其主要功能之一是分析系外行星大气层，使科学家能够探测和研究遥远世界的化学构成。这种能力为了解整个银河系系外行星的组成、天气模式和潜在的宜居性提供了新的可能性。图片来源：ESA/ATG medialab新数据还通过韦伯望远镜前所未有的精确度和红外波长观测，排除了HD 189733 b中甲烷的存在，反驳了之前关于大气中甲烷分子丰度的说法。此前学界一直认为这颗行星太热了，不可能有高浓度的甲烷，现在我们知道它没有。研究小组还测量了木星上的重金属含量，这一发现有助于科学家回答行星的金属性如何与其质量相关联的问题。与太阳系中最大的行星木星和土星等气态巨行星相比，海王星和天王星等质量较小的巨型冰质行星含有更多的金属。较高的金属含量表明，海王星和天王星在形成早期积累了更多的冰、岩石和其他重元素，而不是氢和氦等气体。傅说，科学家们正在测试这种相关性是否也适用于系外行星。"这颗木星质量的行星非常接近地球，而且已经得到了很好的研究。现在我们有了这个新的测量结果，表明它的金属浓度确实为研究行星成分如何随其质量和半径变化提供了一个非常重要的锚点，"傅说。"这些发现支持了我们的理解，即行星是如何在最初的内核形成后，通过创造更多的固体物质而形成的，然后又自然而然地增强了重金属含量"。在接下来的几个月里，傅的团队计划追踪更多系外行星中的硫，并弄清高浓度的硫可能会如何影响它们在母恒星附近形成的程度："我们想知道这类行星是如何到达那里的，了解它们的大气成分将有助于我们回答这个问题。"编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：