天文學家利用韋伯望遠鏡探測雙魚座的“蒸汽世界”

加拿大領導的一項國際研究利用詹姆斯韋伯太空望遠鏡 (JWST) 揭示了對 GJ 9827 大氣層的新見解，這顆系外行星圍繞雙魚座 GJ 9827 恆星運行，距離地球約 98 光年。

研究發現，這顆行星的大氣層含有高濃度的重分子，其中包括大量的水蒸氣，這使得天文學家認為它很可能是一個「蒸氣世界」。

發表於天體物理學雜誌通訊， 這學習由博士 Caroline Piaulet-Ghorayeb 領導。蒙特利爾大學 Trottier 系外行星研究所 (IREx) 的候選人，與世界各地的研究人員合作。

今年早些時候，IREx 研究人員利用哈伯太空望遠鏡(HST) 數據宣布，他們在GJ 9827 d 的大氣層中檢測到了水，使其大小約為地球的兩倍，成為具有已確認大氣層的最小系外行星。

總之，這些重大發現為尋找太陽係以外的生命開闢了新途徑，並增強了我們對行星形成和組成的理解。

一個難以捉摸的目標？

多年來，科學家一直致力於探測大型氣態巨行星和迷你海王星上的大氣層，這些行星比地球大得多，大氣層以氫為主，例如太陽系中的木星和海王星。

但到目前為止，探測更接近地球大小的較小行星周圍的大氣層仍然是一個難以實現的目標。

目前，我們偵測到的所有有大氣層的行星，或充其量是迷你海王星，」該研究的主要作者 Piaulet-Ghorayeb 說。

「這些行星的大氣層主要由氫組成，這使得它們更類似於太陽系中的氣態巨行星，而不是像地球這樣的類地行星，後者的大氣層主要由較重元素組成。”

富含較重的分子

GJ 9827 d 的與眾不同之處在於其大氣成分。

透過結合 JWST/NIRISS 和 HST 數據，Piaulet-Ghorayeb 表明，與較大行星以氫為主的大氣層不同，GJ 9827 d 富含較重的分子，並含有相當多的水蒸氣。

這項發現標誌著首次對系外行星大氣層的強大探測，其中氫不是主要成分，這表明存在更重、富含水的大氣層。

「這裡更接近到我們目前在較小的岩石行星上尋找的二氧化碳或富含氮的大氣層，我們最終將在那裡尋找生命，」皮奧萊特-戈拉耶布說。

她和她的團隊透過加拿大 JWST 儀器、近紅外線成像儀和無縫光譜儀 (NIRISS) 進行了觀察。他們使用透射光譜分析了當行星凌日（經過）其主星 GJ 9827 時穿過大氣層的星光。

然後，他們將新的 JWST 觀測結果與先前的 HST 觀測結果結合起來，自信地表明觀測到的光譜特徵是由行星大氣層引起的，而不是由系統恆星的污染引起的。

借助JWST/NIRISS SOSS 的數據，科學家最終可以區分地球的兩種大氣：一種是多雲的，幾乎沒有較重的元素，主要是氫，僅存在微量的水；另一種是多雲的，幾乎沒有較重的元素，主要是氫，僅存在微量的水；另一種密度高，含有許多較重的元素和大量的水。

由於 GJ 9827 d 靠近其恆星，因此其大氣層很可能是氣體和過熱緻密狀態的混合物，而不是具有明顯的層或雲。

不被認為適合居住

雖然由於 GJ 9827 d 靠近其主星並導致表面溫度很高（約 350°C），GJ 9827 d 本身不被認為適合居住，但這一發現是尋找宜居環境的重大飛躍。

像 GJ 9827 d 這樣的小行星上存在著重且富含水的大氣層，證明了這種大氣層的存在，並且可以透過 JWST 的精度進行研究。

這使得最終找到可居住的類地行星的前景變得更加可信。

皮奧萊特-戈拉耶布說：“這是朝著尋找較小的類地行星周圍大氣層的目標邁出的一大步。”

「GJ 9827 d 是第一顆我們偵測到富含重分子大氣層的行星，就像太陽系的一部分，也是科學界長期以來提出的‘蒸汽世界’的第一個被證實的例子。

這種「蒸汽世界」被認為擁有厚厚的、富含水的大氣層，沒有表面冰或液態水，而是由於靠近宿主恆星而保持蒸汽大氣層。它們就像冰冷的衛星木衛二和木衛三，只是離它們的恆星足夠近，以至於水在大氣中以蒸汽的形式出現，而不是在冰層下。

JWST 計劃在未來幾個月內對 GJ 9827 d 進行進一步觀測，可能會更多地揭示其蒸汽的組成部分天文學家希望。

更多資訊：Caroline Piaulet-Ghorayeb 等人，JWST/NIRISS 揭示了 GJ 9827 d 富含水的「蒸汽世界」大氣，天體物理學雜誌通訊（2024）。DOI：10.3847/2041-8213/ad6f00