一位藝術(shù)家對溫暖的系外行星WASP-80 b的渲染，由于缺乏高空云層和美國國家航空航天局的斯韋詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)的大氣甲烷的存在，它的伯太顏色在人眼看來可能呈藍色，類似于我們太陽系的空望天王星和海王星。圖片來源:uux.cn/美國國家航空航天局。遠鏡
（神秘的系外行星地球uux.cn）據(jù)美國國家航空航天局（撒迪厄斯·切薩里）：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀測了系外行星WASP-80 b，當它經(jīng)過其主星前后時，詹姆揭示了含有甲烷氣體和水蒸氣的斯韋大氣光譜。盡管迄今為止已經(jīng)在十幾顆行星上檢測到了水蒸氣，伯太但直到最近，空望甲烷——一種在我們太陽系內(nèi)的遠鏡木星、土星、系外行星天王星和海王星的詹姆大氣中大量存在的分子——在利用天基光譜研究過境系外行星的大氣中仍然難以捉摸。
來自灣區(qū)環(huán)境研究所(BAERI)的斯韋Taylor Bell在加州硅谷的美國國家航空航天局艾姆斯研究中心工作，來自亞利桑那州立大學的伯太Luis Welbanks告訴我們更多關(guān)于在系外行星大氣中發(fā)現(xiàn)甲烷的意義，并討論了Webb觀測如何促進了這種長期以來備受追捧的分子的識別。這些發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《自然》雜志上。
“WASP-80 b的溫度約為825開爾文(約1025華氏度)，科學家稱之為‘溫暖的木星’，這些行星的大小和質(zhì)量與我們太陽系中的木星相似，但溫度介于熱木星(如1450K(2150 F)的HD 209458 b(發(fā)現(xiàn)的第一顆凌日系外行星))和冷木星(如我們的木星，約為125 K (235 F))之間。”
“WASP-80 b每三天繞其紅矮星一周，位于天鷹座，距離我們163光年。因為這顆行星離它的恒星如此之近，而兩者都離我們?nèi)绱酥h，所以即使是像韋伯這樣最先進的望遠鏡，我們也無法直接看到這顆行星。相反，研究人員使用凌日法(已被用于發(fā)現(xiàn)大多數(shù)已知的系外行星)和日食法來研究恒星和行星的組合光。
“使用凌日方法，當行星從我們的角度移動到其恒星前面時，我們觀察到了該系統(tǒng)，導致我們看到的星光變暗了一點。這有點像有人從一盞燈前走過，燈光變暗。”
“在這段時間里，圍繞行星白天/夜晚邊界的行星大氣層的一個薄環(huán)被恒星照亮，在行星大氣層中分子吸收光線的某些顏色的光線下，大氣層看起來更厚，阻擋了更多的星光，與大氣層看起來透明的其他波長相比，導致了更深的變暗。這種方法通過觀察哪些顏色的光被阻擋，幫助我們這樣的科學家了解行星的大氣層是由什么組成的。”
“與此同時，使用日食方法，當行星從我們的角度經(jīng)過其恒星后面時，我們觀察到了該系統(tǒng)，導致我們接收到的總光量再次出現(xiàn)小幅下降。所有物體都會發(fā)出一些光，稱為熱輻射，發(fā)出的光的強度和顏色取決于物體的溫度。”
“就在日食前后，這顆行星炎熱的一面指向我們，通過測量日食期間光線的下降，我們能夠測量這顆行星發(fā)出的紅外光。對于月食光譜，行星大氣中分子的吸收通常表現(xiàn)為行星發(fā)射的特定波長的光減少。此外，由于這顆行星比它的主星小得多，也冷得多，所以日食的深度比凌日的深度小得多。”

從美國國家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的NIRCam的無縫光譜模式測量WASP-80 b的過境光譜(上)和日食光譜(下)。在這兩種光譜中，有明顯的證據(jù)表明從水和甲烷中吸收，其貢獻用彩色輪廓表示。在凌日期間，行星從恒星前面經(jīng)過，在凌日光譜中，分子的存在使行星的大氣層阻擋了更多特定顏色的光，導致這些波長的光線變暗。在日食期間，行星從恒星后面經(jīng)過，在這個日食光譜中，分子吸收了行星發(fā)出的一些特定顏色的光，導致日食期間的亮度下降比凌日小。圖片來源:uux.cn/貝里/美國國家航空航天局/泰勒·貝爾。
“我們最初的觀察需要轉(zhuǎn)換成我們稱之為光譜的東西；這基本上是一種測量方法，顯示不同顏色(或波長)的光有多少被地球大氣層阻擋或發(fā)射。有許多不同的工具可以將原始觀察結(jié)果轉(zhuǎn)化為有用的光譜，因此我們使用了兩種不同的方法來確保我們的發(fā)現(xiàn)對不同的假設(shè)具有魯棒性。”
“接下來，我們使用兩種模型來解釋這個光譜，以模擬在這種極端條件下行星的大氣是什么樣子。第一種模型非常靈活，它嘗試了數(shù)百萬種甲烷、水含量和溫度的組合，以找到與我們的數(shù)據(jù)最匹配的組合。第二種類型稱為“自洽模型”，也探索了數(shù)百萬種組合，但使用我們現(xiàn)有的物理和化學知識來確定預期的甲烷和水的水平。”
"兩種模型都得出了相同的結(jié)論:明確檢測到了甲烷."
“為了驗證我們的發(fā)現(xiàn)，我們使用穩(wěn)健的統(tǒng)計方法來評估我們檢測到隨機噪聲的概率。在我們的領(lǐng)域，我們認為“黃金標準”是所謂的“5-sigma檢測”，這意味著由隨機噪聲引起的檢測概率是170萬分之一。與此同時，我們在凌日和月食光譜中都檢測到了6.1西格瑪?shù)募淄椋@使得每次觀測中出現(xiàn)虛假檢測的幾率為9.42億分之一，超過了5西格瑪?shù)摹包S金標準”，增強了我們對兩次檢測的信心。”
“有了這樣一個自信的探測，我們不僅發(fā)現(xiàn)了一個非常難以捉摸的分子，而且我們現(xiàn)在可以開始探索這種化學成分告訴我們關(guān)于行星的誕生、生長和進化的信息。例如，通過測量行星中甲烷和水的含量，我們可以推斷出碳原子和氧原子的比例。”
“這個比例預計會根據(jù)行星在其系統(tǒng)中形成的時間和地點而變化。因此，檢查這種碳氧比可以提供線索，說明在逐漸向內(nèi)移動之前，行星是在其恒星附近還是更遠的地方形成的。”
“這項發(fā)現(xiàn)讓我們興奮的另一件事是，我們終于有機會將太陽系以外的行星與太陽系內(nèi)的行星進行比較。美國國家航空航天局有向太陽系中的氣態(tài)巨行星發(fā)射宇宙飛船的歷史，以測量它們大氣層中甲烷和其他分子的含量。現(xiàn)在，通過對系外行星中相同氣體的測量，我們可以開始進行‘蘋果對蘋果’的比較，看看太陽系的預期是否與我們在太陽系外看到的相符。”
“最后，當我們和韋伯一起展望未來的發(fā)現(xiàn)時，這個結(jié)果告訴我們，我們正處在更令人興奮的發(fā)現(xiàn)的邊緣。利用韋伯對WASP-80 b進行的額外的MIRI和NIRCam觀測將使我們能夠探索不同波長光的大氣特性。我們的發(fā)現(xiàn)讓我們認為，我們將能夠觀察到一氧化碳和二氧化碳等其他富含碳的分子，使我們能夠更全面地描繪這顆行星大氣的狀況。”
“此外，隨著我們在系外行星中發(fā)現(xiàn)甲烷和其他氣體，我們將繼續(xù)擴展我們的知識，了解化學和物理如何在不同于地球的條件下發(fā)揮作用，也許不久的將來，在其他行星上，我們會想起我們在家里擁有的東西。有一點是明確的——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發(fā)現(xiàn)之旅充滿了潛在的驚喜。”