韦伯望远镜首次直接拍摄到系外行星的图像

韦伯望远镜首次直接拍摄到系外行星的图像 韦伯太空望远镜首次直接拍摄到一颗系外行星的图像。这颗被命名为 HIP 65426 b 的系外行星是一颗不宜居住的气态巨行星。它的质量是木星的 6 到 12 倍，年龄在 1500 万年到 2000 万年之间。天文学家 2017 年利用欧洲南方天文台在智利的甚大望远镜发现了这颗行星。韦伯望远镜如今拍摄到这颗行星的更多细节。由于地球大气散发的红外辐射干扰，这些细节无法从地面拍摄到。拍摄 HIP 65426 b 直接图像的挑战之处在于，它比所环绕的恒星暗得多，在近红外波段辐射亮度不足所环绕的恒星的万分之一，在中红外波段辐射亮度不足千分之一。望远镜的近红外相机（NIRCam）和中红外仪器（MIRI）均配备了日冕仪。这种设备可以遮挡恒星光芒，使望远镜得以拍摄到行星。 这张图像显示了系外行星HIP 65426 b在不同的红外波段，如詹姆斯·韦伯太空望远镜所见：紫色显示NIRCam仪器在3.00微米处的视图，蓝色显示NIRCam仪器4.44微米处的视图，黄色显示MIRI仪器11.4微米处的视图，红色显示了MIRI仪器15.5微米处的MIRI仪器视图。由于不同的韦伯仪器捕获光的方式，这些图像看起来不同。每台仪器中都有一组被称为日冕仪的遮罩，它可以挡住主星的光，以便可以看到这颗行星。每张图像中的小白星标记了主恒星HIP 65426的位置，该位置已通过日冕图和图像处理减去。NIRCam图像中的条形是望远镜光学系统的伪影，而不是场景中的物体。 来源： 来自：雷锋 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat 投稿：@kejiqubot

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：

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：

自动望远镜网络发现环绕超冷恒星运行的宜居系外行星SPECULOOS-3 b

自动望远镜网络发现环绕超冷恒星运行的宜居系外行星SPECULOOS-3 b 系外行星 SPECULOOS-3 b 绕其恒星运行的艺术家视图。这颗行星和地球一样大，而它的恒星比木星稍大，但质量更大。资料来源：NASA/JPL-Caltech一个国际天文学家小组发现了一颗新的地球大小的行星，它围绕着一颗超冷的红矮星运行，距离仅有 55 光年。这颗行星是在这种恒星周围发现的第二颗同类行星。这颗行星被称为 SPECULOOS-3 b，它需要大约 17 个小时才能绕恒星运行一圈，其温度是太阳的两倍多，质量是太阳的十倍，亮度是太阳的一百倍。SPECULOOS-3 b 上的白天和黑夜似乎是无穷无尽的：这颗系外行星很可能被潮汐锁定，因此同一面"白天"总是面向恒星，这种关系类似于我们的月球和地球。这一发现于2024年5月15日发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）杂志上，由比利时列日大学（University of Liège）领导的SPECULOOS项目与伯明翰大学、剑桥大学、伯尔尼大学和麻省理工学院合作完成。SPECULOOS（Search for Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars）项目的目的是利用遍布全球的望远镜网络寻找绕超冷矮星运行的系外行星。超冷矮星非常常见，约占银河系恒星的 70%。但它们也非常暗淡，而且分散在天空中，因此科学家们必须用望远镜观测数周的数据，逐一监测每颗恒星，才能探测到凌星。"我们专门设计了SPECULOOS来观测附近的超冷矮星，寻找适合详细研究的岩石行星，"列日大学天文学家、论文第一作者Michaël Gillon说。"2017年，我们使用TRAPPIST望远镜的SPECULOOS原型发现了著名的TRAPPIST-1系统，该系统由7颗地球大小的行星组成，其中几颗可能适合居住。这是一个极好的开端！"虽然对这一发现的大部分观测是由位于北半球的 SPECULOOS 望远镜完成的，但伯明翰大学的研究人员也贡献了在位于智利阿塔卡马沙漠的 SPECULOOS 南方天文台进行的一些观测。伯明翰大学系外行星学教授Amaury Triaud说："虽然超冷矮星比我们的太阳温度低、体积小，但它们的寿命要长上千倍大约1000亿年，预计它们将是宇宙中最后一颗仍在闪耀的恒星。"科学家们认为，如此长的寿命可能会为轨道行星上的生命提供发展机会。虽然大多数天文数据都是自动分析的，而且候选行星通常都是先由算法检测出来，然后再由人工进行审核，但在这个案例中，这种情况并没有发生。SPECULOOS 团队的成员已经养成了在夜间数据发布时快速浏览这些数据的习惯，伯明翰大学的前博士生、现博士后研究员 Georgina Dransfield 博士注意到了行星信号，并提醒了整个合作团队。她说："超冷矮星体积小，更容易探测到小行星。SPECULOOS-3b的特殊之处在于，它的恒星和行星特性使其成为JWST的最佳目标，JWST能够获得有关构成其表面的岩石成分的信息。"该项目的下一步可能包括由詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）进行的后续观测，这将为了解该行星的表面矿物学以及大气层的可能性提供重要信息。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

下一代望远镜可以通过仔细观察附近系外行星的大气层来寻找地外生命

下一代望远镜可以通过仔细观察附近系外行星的大气层来寻找地外生命 研究发现，对于这对邻近世界比邻星 b和GJ 887 b，这些望远镜非常善于探测潜在生物特征的存在。研究结果表明，只有比邻半人马座b存在二氧化碳时，这些机器才能探测到。虽然目前还没有发现任何系外行星与地球早期的生命条件完全吻合，但这项工作表明，如果对这些独特的超级地球比地球质量大但比海王星小的行星进行更详细的研究，它们可能会成为未来研究任务的合适目标。为了进一步寻找宜居行星，该研究的第一作者、俄亥俄州立大学天文学大四学生张惠浩和他的同事们还试图确定詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）等专业成像仪器以及欧洲极大型望远镜、三十米望远镜和巨型麦哲伦望远镜等其他极大型望远镜（ELT）直接成像系外行星的效果。张说："并不是每颗行星都适合直接成像，但这就是为什么模拟能让我们大致了解ELT会带来什么结果，以及它们建成后要实现的承诺。"为系外行星成像的直接方法是使用日冕仪或星荫遮挡主恒星的光线，使科学家能够捕捉到轨道上新世界的模糊图像。但是，由于用这种方法确定系外行星的位置既困难又耗时，研究人员希望了解 ELT 望远镜在应对这一挑战时的表现。为此，他们测试了每台望远镜的仪器在检测生物特征时将普遍背景噪声与他们想要捕捉的行星噪声区分开来的能力；这种能力被称为信噪比，信噪比越高，行星的波长就越容易被检测和分析。结果表明，欧洲 ELT 的一台仪器（称为中红外 ELT 成像仪和摄谱仪）的直接成像模式在识别三颗行星（GJ 887 b、比邻星 b 和天狼星 1061 c）是否存在甲烷、二氧化碳和水方面表现较好，而其高角度分辨率整体光学和近红外积分场摄谱仪可以探测到甲烷、二氧化碳、氧气和水，但需要更多的曝光时间。此外，由于这些结论所涉及的仪器必须透过地球大气层的化学迷雾才能窥探到宇宙生命，因此要与JWST目前的外太空能力进行比较。他说："很难说太空望远镜是否比地面望远镜更好，因为它们是不同的。它们有不同的环境、不同的位置，它们的观测也有不同的影响因素。"在这种情况下，研究结果表明，虽然 GJ 887 b 是最适合 ELT 直接成像的目标之一，因为它的位置和大小导致特别高的信噪比，但对于某些凌日行星，如 TRAPPIST-1 系统，JWST 的行星大气研究技术比地球上的 ELT 直接成像更适合探测它们。由于这项研究对数据做了较为保守的假设，未来天文工具的真正功效仍可能令科学家们大吃一惊。这项研究的共同作者、俄亥俄州立大学天文学助理教授王吉（音译）说，撇开性能上的微妙对比不谈，这些强大的技术有助于拓宽我们对宇宙的认识，而且是相辅相成的，这就是为什么像这样评估这些技术局限性的研究是必要的。"模拟的重要性，尤其是对于耗资数十亿美元的任务来说，怎么强调都不为过，"王说。"人们不仅要建造硬件，还要非常努力地模拟性能，为取得那些辉煌的成果做好准备。"很有可能，由于 ELT 要到本世纪末才能完成，研究人员的下一步工作将围绕模拟未来的 ELT 仪器如何很好地调查我们星球上肆虐的生命证据的复杂性展开。"我们想看看我们能在多大程度上对我们的大气层进行细致入微的研究，以及我们能从中提取多少信息，"王说。"因为如果我们不能用地球的大气层回答宜居性问题，那么我们就不可能开始回答其他行星周围的这些问题。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：