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2023-01-31
系外行星大氣首次發(fā)現(xiàn)二氧化碳，是否意味著會(huì)有外星生命？
更新時(shí)間：2022-08-28 14:05:28作者：佚名
據(jù)美國國家航空航天局（NASA）報(bào)道，詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）在700光年外WASP-39b行星的大氣中發(fā)現(xiàn)了二氧化碳，這是第一次明確地在太陽系外的行星中發(fā)現(xiàn)這種氣體。這一發(fā)現(xiàn)為了解這顆行星是如何形成的提供了線索，其結(jié)果還表明，韋伯可能很快就能識(shí)別出大量其他氣體，有助于尋找適合生命居住的行星。
WASP-39b是什么？
WASP-39b發(fā)現(xiàn)于2011年，位于處女座，是一顆熱氣體巨星，質(zhì)量大約是木星的四分之一，和土星差不多重，直徑是木星的1.3倍。它的極度膨脹部分與它約900攝氏度的高溫有關(guān)。與太陽系中更冷、更緊湊的氣體巨星不同，WASP-39b的軌道離它的恒星非常近，大約只有太陽和水星之間距離的八分之一。在4個(gè)地球日多一點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)，WASP-39b就能完成一圈公轉(zhuǎn)。
WASP-39b總是用相同的一面對(duì)著它的恒星。它的日側(cè)溫度高達(dá)776.7攝氏度，而強(qiáng)大的風(fēng)從白天面輸送熱量，使黑夜面幾乎同樣熱。此前，包括NASA的哈勃和斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的其他望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果顯示，WASP-39b的大氣層中存在水蒸氣、鈉和鉀。其中水含量是土星的三倍。而在2022年7月，它成為詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡研究的第一顆系外行星。
為什么韋伯望遠(yuǎn)鏡研究團(tuán)隊(duì)將WASP-39b作為第一個(gè)觀察對(duì)象？因?yàn)橄袼@樣的凌日行星，可供觀測的軌道是面朝上的，這為研究人員探測行星大氣層提供了理想的機(jī)會(huì)。在凌日過程中，有些星光被行星完全遮蔽，導(dǎo)致整體變暗，而有些則通過行星的大氣層傳播。由于不同的氣體吸收不同的顏色組合，研究人員可以通過分析透射光在不同波長光譜上的亮度差異來確定大氣的確切組成成分。WASP-39b既有膨脹的大氣，又有頻繁的凌日現(xiàn)象，是透射光譜研究的理想目標(biāo)。
關(guān)于二氧化碳的重大發(fā)現(xiàn)
韋伯望遠(yuǎn)鏡對(duì)大部分被地球大氣層阻擋的紅外波長很敏感，能將宇宙中最遙遠(yuǎn)的恒星和星系帶入天文學(xué)家的視野。對(duì)于研究銀河系中其他恒星系統(tǒng)的科學(xué)家而言，韋伯望遠(yuǎn)鏡的紅外靈敏度至關(guān)重要。在此之前，還沒有天文臺(tái)在系外行星的透射光譜中測量過如此多的顏色在3到5.5微米范圍內(nèi)的亮度差異。獲取這部分光譜對(duì)于測量諸如水、甲烷以及二氧化碳等氣體的豐度至關(guān)重要，這些氣體被認(rèn)為存在于許多不同類型的系外行星中。
通過使用韋伯的近紅外攝譜儀（NIRSpec）對(duì)WASP-39b進(jìn)行觀測，研究小組發(fā)現(xiàn)在這顆系外行星的大氣光譜中，一個(gè)4.1到4.6微米的“小山丘”首次提供了清晰、詳細(xì)的證據(jù)，證明在太陽系以外的行星上發(fā)現(xiàn)了二氧化碳。“數(shù)據(jù)一出現(xiàn)在我的屏幕上，巨大的二氧化碳特征就抓住了我。”約翰·霍普金斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成員扎法爾·魯斯坦庫洛夫（Zafar Rustamkulov）提到，“這是一個(gè)特殊的時(shí)刻，跨越了系外行星科學(xué)的一個(gè)重要門檻?！?/p>
韋伯望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)成員、芝加哥大學(xué)的雅格布·畢恩（Jacob Bean）表示，即使基于一次穿越恒星的原始數(shù)據(jù)，都能發(fā)現(xiàn)二氧化碳的光譜下降“就像一個(gè)疼痛的拇指一樣顯眼”。他補(bǔ)充道，以前曾有過一些對(duì)這種氣體的初步探測，但沒有一個(gè)經(jīng)得起仔細(xì)審查，而韋伯的這次光譜“大小正確，形狀正確，位置也正確”，“二氧化碳突然冒出來了”。24日，畢恩和他的同事在論文張貼在預(yù)印論文網(wǎng)站（preprint server arXiv）上報(bào)告了這一結(jié)果，這也將被發(fā)表在《自然》雜志上。
馬克斯普朗克天文研究所（Max Planck Institute for Astronomy）的研究小組成員勞拉·克雷德伯格（Laura Kreidberg）提到，在接下來的幾個(gè)月里，研究小組將公布這顆行星的從光學(xué)到中紅外的全部光譜，并“對(duì)它的大氣層進(jìn)行完整的化學(xué)調(diào)查”。
未來發(fā)現(xiàn)外星生命的可能？
發(fā)現(xiàn)二氧化碳是有價(jià)值的，因?yàn)樗梢哉宫F(xiàn)一顆行星的“金屬豐度”。宇宙大爆炸產(chǎn)生的氫和氦是宇宙中所有可見物質(zhì)的起始物質(zhì)，但任何較重的物質(zhì)都是后來在恒星中形成的。研究人員認(rèn)為，充足的重元素供應(yīng)對(duì)創(chuàng)造巨型行星至關(guān)重要。當(dāng)行星從圍繞一顆新恒星的圓盤狀物質(zhì)中形成時(shí)，較重的元素形成固體顆粒和鵝卵石，這些顆粒和鵝卵石聚集在一起，形成一個(gè)固體核心，最終大到足以用自身引力吸引氣體，并成長為一個(gè)氣體巨星。
加州大學(xué)圣克魯茲分校研究小組的負(fù)責(zé)人娜塔莉·巴塔利亞（Natalie Batalha）表示：“在WASP-39b上探測到如此清晰的二氧化碳信號(hào)，預(yù)示著將在較小的類地行星上探測到大氣。了解一顆行星的大氣層組成很重要，因?yàn)樗芨嬖V我們行星的起源和演化過程?！痹撗芯啃〗M的另一名成員邁克·萊恩（Mike Line）提到：“二氧化碳分子是行星形成過程的敏感示蹤劑，通過測量這一二氧化碳特征，我們可以確定有多少固體和多少氣態(tài)物質(zhì)形成了這顆氣態(tài)巨行星。在未來的十年中，JWST將對(duì)各種行星進(jìn)行這種測量，為深入了解行星如何形成和我們太陽系的獨(dú)特性提供細(xì)節(jié)。”
根據(jù)WASP-39b上的二氧化碳信號(hào)，研究小組估計(jì)該行星的金屬豐度與土星大致相同。更值得注意的是，WASP-39b的質(zhì)量也與土星大致相同。畢恩強(qiáng)調(diào)，盡管這些行星的軌道非常不同，但它們有一些共同點(diǎn)，“我們能找到這兩件物品的共同故事嗎？我還不知道?！?/p>
蘇德漢表示，有了韋伯望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)“重要的化學(xué)物質(zhì)將成為常態(tài)，而不是例外”。他預(yù)測，當(dāng)韋伯開始研究距離地球較近的、溫度較低的行星時(shí)，將會(huì)有一些真正的驚喜——也許一些氣體可以表明這些行星是否適合生命存在。
新聞來源：科學(xué)、NASA官網(wǎng)、Exoplants，部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
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