艺术家对温暖的系外行星wasp - 80b的渲染，由于缺乏高空云层和大气甲烷的存在，美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜发现，它的颜色在人眼看来可能是蓝色的，类似于我们太阳系中的天王星和海王星。来源:美国国家航空航天局
美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在系外行星wasp - 80b的大气层中发现了甲烷，这是太空探索的一个里程碑。这个发现?通过先进的光分析方法确认，揭示了行星的形成，并允许与我们太阳系的行星进行比较。
美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜观察到系外行星wasp - 80b在其主星前后经过时，揭示了表明含有甲烷气体和水蒸气的大气的光谱。虽然到目前为止，水蒸气已经在十几个行星上被检测到，但直到最近，甲烷——一种在我们太阳系的木星、土星、天王星和海王星的大气中大量发现的分子——在用太空光谱研究时，在凌日系外行星的大气中仍然难以捉摸。
湾区环境研究所(BAERI)的泰勒·贝尔(Taylor Bell)在加州硅谷的美国宇航局艾姆斯研究中心工作，亚利桑那州立大学的路易斯·韦尔班克斯(Luis Welbanks)告诉我们更多关于在系外行星大气中发现甲烷的意义，并讨论了韦伯的观测如何促进了这种长期追求的分子的识别。这些发现最近发表在科学杂志《自然》上。
了解“温暖的木星”wasp - 80b
wasp - 80b的温度约为825开尔文(约1025华氏度)，是科学家们所说的“温暖的木星”，这些行星的大小和质量与我们太阳系中的木星相似，但温度介于热木星之间，如1450 K(2150°F) HD 209458 b(发现的第一颗凌日系外行星)和冷木星，如我们自己的温度约为125 K(235°F)。wasp - 80b每三天绕它的红矮星转一圈，位于距离我们163光年的天鹰座。因为这颗行星离它的恒星很近，而且两者都离我们很远，所以即使是像韦伯这样最先进的望远镜，我们也无法直接看到这颗行星。相反，研究人员使用凌日法(已用于发现大多数已知的系外行星)和日食法来研究来自恒星和行星的组合光。
创新Observatio技术部分
使用凌日法，当行星在其恒星前面移动时，我们从我们的角度观察到这个系统，导致我们看到的星光有点暗淡。这有点像有人经过一盏灯前，灯变暗了。在这段时间里，围绕行星昼夜边界的行星大气的薄环被恒星照亮，在行星大气中的分子吸收光线的某些颜色的光线下，大气看起来更厚，阻挡了更多的星光，与其他波长的大气看起来透明的地方相比，造成了更深的变暗。这种方法可以帮助像我们这样的科学家通过观察哪些颜色的光被阻挡来了解行星的大气层是由什么组成的。
与此同时，使用日食法，当行星从它的恒星后面经过时，我们从我们的角度观察到这个系统，导致我们接收到的总光又一次小幅度下降。所有物体都会发出一些光，称为热辐射，发射光的强度和颜色取决于物体的热程度。就在日食前后，这颗行星炎热的一面朝向我们，通过测量日食期间光线的下降，我们能够测量这颗行星发出的红外光。对于日食光谱，行星大气中分子的吸收通常表现为行星发射的特定波长的光的减少。此外，由于这颗行星比它的主星小得多，温度也低得多，所以日食的深度要比凌日的深度小得多。
NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜上NIRCam的无缝隙光谱模式测量的wasp - 80b的凌日光谱(上)和日食光谱(下)。在这两个光谱中，都有来自水和甲烷的吸收的明确证据，它们的贡献用彩色轮廓表示。在凌日期间，行星从恒星前面经过，在凌日光谱中，分子的存在使行星的大气层在某些颜色上阻挡了更多的光，导致这些波长的光变暗。在日食期间，行星从恒星后面经过，在这个日食光谱中，分子吸收了一些行星发出的特定颜色的光，导致日食期间亮度的下降幅度比凌日要小。图片来源:BAERI/NASA/Taylor Bell
光谱数据分析
我们所做的最初观察需要转化成我们称之为光谱的东西;这本质上是一种测量，显示了在不同颜色(或波长)的光中，有多少光被行星的大气层阻挡或发射。有许多不同的工具可以将原始观测结果转化为有用的光谱，因此我们使用了两种不同的方法来确保我们的发现对不同的假设是稳健的。接下来，我们用两种模型来解释这个光谱，以模拟在这种极端条件下行星的大气是什么样子。第一种模型是完全灵活的，它尝试了数百万种甲烷和水的丰度和温度的组合，以找到最符合我们数据的组合。第二种称为“自一致模型”，它也探索了数百万种组合，但使用我们现有的物理和化学知识来确定可能存在的甲烷和水的水平。两种模式都得出了相同的结论:甲烷的明确检测。
为了验证我们的发现，我们使用稳健的统计方法来评估我们的检测是随机噪声的概率。在我们的领域，我们认为“黄金标准”是所谓的“5-sigma检测”，这意味着由随机噪声引起检测的几率是170万分之一。与此同时，我们在过境和日食光谱中都检测到了6.1西格玛的甲烷，这使得每次观测中检测到错误的几率为9.42亿分之一，超过了5西格玛的“黄金标准”，并增强了我们对两次检测的信心。
甲烷探测的意义
有了这样一个自信的探测，我们不仅发现了一个非常难以捉摸的分子，而且我们现在可以开始探索这种化学成分告诉我们的关于地球诞生、成长和进化的信息。例如，通过测量地球上甲烷和水的数量，我们可以推断出碳原子与氧原子的比例。这一比例预计会根据行星在其系统中形成的地点和时间而变化。因此，检查碳氧比可以提供线索，说明这颗行星是在靠近恒星的地方形成，还是在远离恒星的地方形成，然后逐渐向内移动。
另一件让我们兴奋的事情是，我们有机会将太阳系外的行星与太阳系内的行星进行比较。美国宇航局曾向太阳系的气态巨行星发射航天器，以测量其大气中甲烷和其他分子的含量。现在，通过对系外行星上相同气体的测量，我们可以开始进行“苹果对苹果”的比较，看看太阳系的预期是否与我们在太阳系外看到的相符。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的未来展望
最后，当我们展望韦伯未来的发现时，这个结果告诉我们，我们正处于更多令人兴奋的发现的边缘。MIRI和NIRCam对wasp - 80b的额外观测将使我们能够在不同波长的光下探测大气的特性。我们的发现让我们认为，我们将能够观察到其他富含碳的分子，如一氧化碳和二氧化碳，使我们能够更全面地描绘出这颗行星大气的状况。
此外，随着我们在系外行星上发现甲烷和其他气体，我们将继续扩大我们的知识，了解化学和物理在不同于地球的条件下是如何工作的，也许不久的将来，在其他行星上，我们会想起我们在地球上的情况。有一件事是明确的——詹姆斯·韦伯太空望远镜的发现之旅充满了潜在的惊喜。”
参考文献:《温暖系外行星WASP-80b大气中的甲烷》，作者:Taylor J. Bell, Luis Welbanks, Everett Schlawin, Michael R. Line, Jonathan J. Fortney, Thomas P. Greene, Kazumasa Ohno, Vivien Parmentier, Emily Rauscher, Thomas G. Beatty, Sagnick Mukherjee, Lindsey S. Wiser, Martha L. Boyer, Marcia J. Rieke和John A. Stansberry, 2023年11月22日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06687 - 0
作者简介:泰勒·贝尔是湾区环境研究所(BAERI)的博士后研究科学家，在美国宇航局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心工作。路易斯·韦尔班克斯是亚利桑那州坦佩市亚利桑那州立大学的NASA哈勃研究员。
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