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韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)系外行星有近地水蒸氣

藝術(shù)家們對(duì)GJ 486 b的設(shè)想是：一顆被巖石覆蓋的，圍繞著距離地球26光年的紅矮星運(yùn)動(dòng)的系外行星。NASA的韋伯天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了微弱的證據(jù)可以證明在這顆行星上有水蒸氣，但我們現(xiàn)在仍然不知道水蒸氣是存在于該行星的大氣層中還是星斑中。圖片來(lái)自NASA/ ESA/ CSA/ Joseph Olmsted (STScI)/ Leah Hustak (STScI).

天文學(xué)家可以證明許多系外行星大氣層中都存在著水蒸氣。截至目前，所發(fā)現(xiàn)的這些行星都比地球大得多，比如氣態(tài)矮星和超級(jí)木星。但是，那些稍小、和地球差不多大小的類(lèi)地行星呢？因?yàn)榫嚯x的原因，我們很難探測(cè)到這些相對(duì)太小的星球上的水蒸氣。然而，在2023年5月1日，來(lái)自英美的研究人員報(bào)道，他們?cè)陬?lèi)地行星和圍繞其運(yùn)動(dòng)的紅矮星的大氣層中軍找到了水蒸氣。天文學(xué)家們使用韋伯天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了這一26光年外的觀測(cè)研究。

研究人員于2023年4月10日發(fā)布的相關(guān)新論文的初稿已經(jīng)被天體物理期刊快報(bào)所接受發(fā)表。

韋伯望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到水蒸氣

GJ 486 b行星，是一個(gè)類(lèi)地行星，體積是地球的1.3倍，質(zhì)量則是地球的3倍。這使得天文學(xué)家們稱之為超級(jí)地球。它的軌道與其恒星的軌道十分接近，完成一周的運(yùn)動(dòng)只需要1.5天。因此，非常不幸的是，科學(xué)家們預(yù)估其溫度高達(dá)800華氏度（430攝氏度），這使得它看起來(lái)并不適合任何生命。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它似乎被潮汐鎖定了，因此總是以同樣的一面朝向它的恒星。

盡管有如此高溫，GJ 486 b的大氣層中仍然可能存在水蒸氣，當(dāng)然，前提是這顆行星存在大氣層，然而這一點(diǎn)現(xiàn)在仍然不能確定。

不過(guò)，韋伯的觀測(cè)結(jié)果的確顯示了水蒸氣的蛛絲馬跡，這已經(jīng)是一件讓人激動(dòng)的事情了。

（水蒸氣）是存在于行星上，還是它的恒星上？

最大的問(wèn)題在于：水蒸氣是否存在于行星上，還是說(shuō)實(shí)際上是在它的恒星上？

來(lái)自亞利桑那大學(xué)的第一作者發(fā)表評(píng)論稱：我們發(fā)現(xiàn)了確切的，只有水才能留下的痕跡。但是我們不能確定水是來(lái)自行星的大氣層，或者說(shuō)該行星是否有大氣層，同時(shí)，該表明有水的證據(jù)實(shí)際上來(lái)自恒星。

來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)的Kevin Stevenson補(bǔ)充到：在高溫類(lèi)地行星上發(fā)現(xiàn)水蒸氣的存在將是系外行星科學(xué)的一個(gè)重大突破。但是我們必須排除恒星的干擾。

行星凌日給我們提供了證據(jù)

那么，科學(xué)家們是如何探測(cè)到水蒸氣的呢？從地球上看，韋伯在GJ 486 b經(jīng)過(guò)其恒星時(shí)對(duì)它進(jìn)行了觀測(cè)，并且這一行為不止一次，一共有兩次。每次凌日現(xiàn)象都持續(xù)約1小時(shí)。研究人員使用三種技術(shù)對(duì)它進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。

有趣的是，這三種方法都得出了相似的結(jié)果，來(lái)自行星和恒星的透射光譜大部分是平坦的。然而，在最短紅外光的波譜區(qū)域出現(xiàn)了突然的增長(zhǎng)。那么，是什么導(dǎo)致了這一增長(zhǎng)呢？科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的是哪些原子導(dǎo)致的呢？為了調(diào)查清楚，研究人員使用不同的原子在電腦中假設(shè)了模型。結(jié)果是，對(duì)這一觀測(cè)的最好解釋是水蒸氣。

GJ 486 b的發(fā)射光譜表明水蒸氣的存在。上述圖表將水蒸氣可能存在于大氣層還是星斑這兩種不同地方的兩種模型進(jìn)行了比較。圖片來(lái)源：NASA/ ESA/ CSA/ Joseph Olmsted (STScI)/ Sarah E. Moran (University of Arizona)/ Kevin B. Stevenson (APL)/ Ryan MacDonald (University of Michigan)/ Jacob A. Lustig-Yaeger (APL).

水蒸氣存在于星斑中？

如果水蒸氣不存在于行星的大氣層中，那么它就存在于紅矮星的星斑中，存在于恒星表面黑色的斑點(diǎn)就好比我們太陽(yáng)上的太陽(yáng)黑子。這是可能的嗎？不可思議的是，水蒸氣可以存在于星斑中是因?yàn)樾前咧械臏囟冗h(yuǎn)低于其周?chē)?yáng)表面的溫度。

研究人員認(rèn)為，由于GJ 486 b的恒星溫度已經(jīng)遠(yuǎn)低于我們的太陽(yáng)，其星斑中的溫度更會(huì)遠(yuǎn)低于太陽(yáng)黑子。因此，該恒星的星斑可以儲(chǔ)存甚至更多水蒸氣。如果行星在凌日的時(shí)候劃過(guò)星斑，那么這一現(xiàn)象就會(huì)使得存在于星斑中的水蒸氣看起來(lái)像是存在于行星上一樣。這是一個(gè)值得令人拍手稱贊的理論，盡管仍然存在一個(gè)問(wèn)題，即科學(xué)家們從未觀測(cè)到行星凌日發(fā)生于星斑之前。但是也有可能是存在天文學(xué)家尚未看到的星斑。

來(lái)自密歇根大學(xué)的共同作者認(rèn)為：我們?nèi)匀粵](méi)有觀測(cè)到發(fā)生在星斑前的行星凌日現(xiàn)象。但是這并不意味著在恒星上不會(huì)存在其他星斑，并且這一物理現(xiàn)象的確會(huì)導(dǎo)致水分子最終看起來(lái)就像位于大氣層中一樣。

需要更多更深入的觀測(cè)

現(xiàn)如今，仍然無(wú)法確定水蒸氣的來(lái)源是行星還是恒星。研究人員說(shuō)他們?nèi)匀恍枰柚f伯望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)部件去進(jìn)行更多的觀察，以確定水蒸氣的真正來(lái)源。

中紅外儀器（MIRI）將觀測(cè)行星的向陽(yáng)側(cè)。如果行星沒(méi)有大氣層，或者只有非常稀薄的大氣，那么行星向陽(yáng)面溫度最高的區(qū)域?qū)?huì)直面恒星。與此同時(shí)，如果最熱的區(qū)域移動(dòng)了，這一現(xiàn)象將說(shuō)明存在可以使得熱循環(huán)的大氣層。

此外，近紅外成像機(jī)和無(wú)狹縫光譜設(shè)備(NIRISS)可以區(qū)別這一現(xiàn)象是由行星大氣層還是星斑引起的。但是只有一系列設(shè)備的組合可以最終給出GJ 486 b上是否存在水蒸氣的結(jié)論。

正如Stevenson指出的：多種儀器的合作才能真正確定這顆行星是否有大氣層。

在2019年，據(jù)天文學(xué)家報(bào)道，在另一個(gè)超級(jí)地球——K2-18b的大氣層中找到了水蒸氣。這個(gè)行星一度被認(rèn)為是宜居行星。而后，研究人員說(shuō)到這顆行星更像是一個(gè)氣態(tài)矮星，有一層厚厚的由氫元素組成的大氣，可能沒(méi)有固體表面。

BY:Paul Scott Andersonand

FY: 胡羽舒

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