天文学家利用韦伯望远镜探测双鱼座的“蒸汽世界”

加拿大领导的一项国际研究利用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 揭示了对 GJ 9827 大气层的新见解，这颗系外行星围绕双鱼座 GJ 9827 恒星运行，距离地球约 98 光年。

研究发现，这颗行星的大气层含有高浓度的重分子，其中包括大量的水蒸气，这使得天文学家认为它很可能是一个“蒸汽世界”。

发表于天体物理学杂志通讯， 这学习由博士 Caroline Piaulet-Ghorayeb 领导。蒙特利尔大学 Trottier 系外行星研究所 (IREx) 的候选人，与世界各地的研究人员合作。

今年早些时候，IREx 研究人员利用哈勃太空望远镜 (HST) 数据宣布，他们在 GJ 9827 d 的大气层中检测到了水，使其大小约为地球的两倍，成为具有已确认大气层的最小系外行星。

总之，这些重大发现为寻找太阳系以外的生命开辟了新途径，并增强了我们对行星形成和组成的理解。

一个难以捉摸的目标？到目前为止

多年来，科学家们一直致力于探测大型气态巨行星和迷你海王星上的大气层，这些行星比地球大得多，大气层以氢为主，例如太阳系中的木星和海王星。

但到目前为止，探测更接近地球大小的较小行星周围的大气层仍然是一个难以实现的目标。

目前，我们检测到的所有有大气层的行星，或者充其量是迷你海王星，”该研究的主要作者 Piaulet-Ghorayeb 说。

“这些行星的大气层主要由氢组成，这使得它们更类似于太阳系中的气态巨行星，而不是像地球这样的类地行星，后者的大气层主要由较重元素组成。”

富含较重的分子

GJ 9827 d 的与众不同之处在于其大气成分。

通过结合 JWST/NIRISS 和 HST 数据，Piaulet-Ghorayeb 表明，与较大行星以氢为主的大气层不同，GJ 9827 d 富含较重的分子，并含有相当多的水蒸气。

这一发现标志着首次对系外行星大气层的有力探测，其中氢不是主要成分，这表明存在更重、富含水的大气层。

“这里更接近到我们目前在较小的岩石行星上寻找的二氧化碳或富含氮的大气层，我们最终将在那里寻找生命，”皮奥莱特-戈拉耶布说。

她和她的团队通过加拿大 JWST 仪器、近红外成像仪和无缝光谱仪 (NIRISS) 进行了观察。他们使用透射光谱分析了当行星凌日（经过）其主星 GJ 9827 时穿过大气层的星光。

然后，他们将新的 JWST 观测结果与之前的 HST 观测结果结合起来，自信地表明观测到的光谱特征是由行星大气层引起的，而不是由系统恒星的污染引起的。

借助 JWST/NIRISS SOSS 的数据，科学家们最终可以区分地球的两种大气：一种是多云的，几乎没有较重的元素，主要是氢，仅存在微量的水；另一种是多云的，几乎没有较重的元素，主要是氢，仅存在微量的水；另一种密度高，含有许多较重的元素和大量的水。

由于 GJ 9827 d 靠近其恒星，因此其大气层很可能是气体和过热致密状态的混合物，而不是具有明显的层或云。

不被认为适合居住

虽然由于 GJ 9827 d 靠近其主星并导致表面温度很高（约 350°C），GJ 9827 d 本身不被认为适合居住，但这一发现是寻找宜居环境的重大飞跃。

像 GJ 9827 d 这样的小行星上存在重且富含水的大气层，证明了这种大气层的存在，并且可以通过 JWST 的精度进行研究。

这使得最终找到可居住的类地行星的前景变得更加可信。

皮奥莱特-戈拉耶布说：“这是朝着寻找较小的类地行星周围大气层的目标迈出的一大步。”

“GJ 9827 d 是第一颗我们检测到富含重分子大气层的行星，就像太阳系的一部分，也是科学界长期以来提出的‘蒸汽世界’的第一个被证实的例子。”

这种“蒸汽世界”被认为拥有厚厚的、富含水的大气层，没有表面冰或液态水，而是由于靠近宿主恒星而保持着蒸汽大气层。它们就像冰冷的卫星木卫二和木卫三，只是离它们的恒星足够近，以至于水在大气中以蒸汽的形式出现，而不是在冰层下。

JWST 计划在未来几个月内对 GJ 9827 d 进行进一步观测，可能会更多地揭示其蒸汽的组成部分天文学家希望。

更多信息：Caroline Piaulet-Ghorayeb 等人，JWST/NIRISS 揭示了 GJ 9827 d 富含水的“蒸汽世界”大气，天体物理学杂志通讯（2024）。DOI：10.3847/2041-8213/ad6f00