氨的足迹：与韦伯一起揭开遥远世界的宇宙之谜

詹姆斯-韦伯太空望远镜在一颗褐矮星中探测到氨的同素异形体，为气态巨行星和系外行星的形成提供了突破性的见解，揭示了潜在的替代形成过程。

它们揭示了骼和化石的年龄，并可作为医学诊断工具。同位素和同位素同系物--仅在同位素组成上存在差异的分子--在天文学中也发挥着越来越重要的作用。例如，根据系外行星大气中碳-12（12C）和碳-13（13C）同位素的比例，科学家可以推断出系外行星绕其中心恒星运行的距离。

迄今为止，结合在一氧化碳中的 12C 和 13C 是系外行星大气中唯一可以测量到的同位素。现在，一个研究小组成功地在一颗冷褐矮星的大气中探测到了氨的同位素。研究小组刚刚在《自然》（Nature）杂志上报告说，氨可以以 14NH3 和 15NH3 的形式被测量到。天体物理学家Polychronis Patapis和Adrian Glauser参与了这项研究，他们是物理系和国家行星研究中心（NCCR）的成员，Patapis是第一作者之一。

褐矮星 WISE J1828 的艺术印象，它是太阳系外已知最冷的气态巨行星之一。它的大气层主要吸收水、甲烷和氨蒸气。资料来源：苏黎世联邦理工学院/Polychronis Patapis

褐矮星介于恒星和行星之间：它们在很多方面都与巨型气态行星相似，这就是为什么它们可以被用作研究气态巨行星的模型系统。在他们的工作中，帕塔皮斯及其同事观测到了一颗名为 WISE J1828 的褐矮星，它距离地球 32.5 光年；在夜空中，它位于天琴座。

肉眼无法看到 WISE J1828：它的有效温度（即黑体的温度，黑体发射的能量与被观测物体相同）仅为 100°C，对于发生氢聚变并将光一路传送到地球来说，它实在是太冷了。为了发现这颗 Y 光谱级的超冷矮星，詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的镜面在去年夏天转向了琴琴座的方向。

詹姆斯-韦伯太空望远镜插图。资料来源：诺斯罗普-格鲁曼公司

中红外仪器（MIRI）是安装在JWST上的红外探测器，它使得揭示WISE J1828上的氨同素异形体成为可能。在 4.9 到 27.9 μm 的波长范围内，MIRI 的中分辨率光谱仪（MRS）记录了褐矮星的光谱，除了氨之外，研究人员还观测到了水分子和甲烷分子，每种分子都有特征吸收带。特别是，氨会导致到达探测器的波长范围在 9 至 13 μm 之间的信号衰减。

氨的同素异形体也可以通过光谱来分辨：如果氨分子不是由最常见的氮同位素 14N 组成（14N 与三个氢原子结合），而是由 15N 加上三个氢原子组成，那么氮核中的额外中子就会确保光谱中出现一个疙瘩，而这个疙瘩可以用 15NH3 的存在来解释。

在WISE J1828的大气中测量到的两种氨的同位素的比率尤其令人兴奋：正如帕塔皮斯及其同事解释的那样，14NH3与15NH3的比率是一种示踪剂，即一种将来可以用来研究恒星和行星形成的指标。它是一种新工具，有助于检验不同的、已知的气态巨行星形成机制。

木星或土星等气态巨行星并不是我们太阳系的特产。这些天体在系外行星研究中发挥着重要作用：它们出现在恒星形成的早期，因此是决定是否以及如何形成较小、较轻行星的关键因素。迄今为止，关于大质量气态巨行星是如何形成的这个问题还没有确切的答案。专家们提出了不同的理论，但目前还不清楚这些行星是像大多数其他行星一样通过核吸积形成的，还是原恒星周围原行星盘引力坍缩的结果。

帕塔皮斯及其同事记录的同位素比率可以提供新的线索。在地球上，每一个 15N 原子对应 272 个 14N 原子。论文报告说，在WISE J1828的大气中测量到的14NH3与15NH3的比率为670，这意味着与地球和木星等其他行星相比，这颗褐矮星在形成过程中积累的氮-15较少。事实上，WISE J1828上的15N丰度比太阳系所有天体上的都要稀少。

所谓同位素分馏，即同位素丰度的变化，其过程尚不完全清楚，但彗星撞击被认为有助于氮-15的富集，因为彗星的15N含量要高得多。彗星撞击也被认为是太阳系中行星的基本组成部分：彗星为地球大气层的形成做出了贡献，尽管还不完全清楚其贡献程度。

WISE J1828的光谱中15NH3含量很低，这表明这颗褐矮星并不是按照通常的行星形成方式（即核吸积）形成的，而是按照类似恒星的方式形成的。因此，这种引力不稳定性很可能在气态巨行星的形成过程中扮演重要角色，尤其是那些以大轨道围绕恒星运动的气态巨行星。

事实上，这也是论文中讨论的另一个重要问题：14NH3 与 15NH3 的比例似乎因气态巨行星与其恒星之间的距离不同而变化很大，这一点可以通过模拟氨和分子氮冰线之间正在形成的行星而得到证实。在天文学中，冰线表示距离中心恒星的最小距离，在这个距离上，温度低到足以使特定的挥发性化合物转变为固态。

帕塔皮斯及其同事认为，观测到的 14NH3 与 15NH3 比率的增加可能表明氨冰线和氮冰线之间有行星吸积冰层。

天文学家在研究可直接观测的系外行星时又多了一种工具。由于 JWST 的出现，氨的踪迹才变得清晰可见，再次证实了这台太空望远镜的巨大价值和无与伦比的性能。