韦伯望远镜探测到附近系外行星WASP-107b的水蒸气、二氧化硫和沙云

艺术家印象中的 WASP-107b 及其母恒星。图片来源：插图： 比利时 LUCA 艺术学院/ Klaas Verpoest（视觉），Johan Van Looveren（排版）。Achrène Dyrek（法国原子能委员会和巴黎城市大学）、Michiel Min（荷兰 SRON）、Leen Decin（比利时鲁汶大学）/欧洲 MIRI EXO GTO 小组/欧空局/美国国家航空航天局（NASA）

全世界的天文学家正在利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）上搭载的中红外仪器（MIRI）的先进功能，对系外行星--围绕太阳以外的恒星运行的行星--进行突破性的观测。鲁汶大学天文学研究所的研究人员共同领导的欧洲天文学家小组观测到了这颗独特的气态系外行星WASP-107 b。

这颗行星的质量与海王星相似，但体积却比海王星大得多，几乎接近木星的大小。与太阳系内的气态巨行星相比，WASP-107b 的这一特点使其显得相当"蓬松"。与木星等太阳系巨行星的探测深度相比，这颗系外行星的蓬松度使天文学家能够深入其大气层大约 50 倍。

WASP-107b 是一颗独特的气态系外行星，它围绕着一颗比太阳温度稍低、质量稍小的恒星运行。

深入的大气分析

欧洲天文学家小组充分利用了这颗系外行星非凡的蓬松度，使他们能够深入观察它的大气层。这个机会为揭开其大气层复杂的化学成分打开了一扇窗。这背后的原因非常简单：在密度较低的大气层中，信号或光谱特征要比在密度较高的大气层中突出得多。他们最近在《自然》杂志上发表的研究报告揭示了水蒸气、二氧化硫（SO2）和硅酸盐云的存在，但值得注意的是，没有发现温室气体甲烷（CH4）的踪迹。

这些探测结果为了解这颗迷人系外行星的动力学和化学性质提供了重要信息。首先，甲烷的缺失暗示着这颗行星内部可能是温暖的，这为我们了解热能在行星大气中的流动提供了一个诱人的窗口。其次，二氧化硫（因有火柴烧焦的气味而闻名）的发现也是一大惊喜。以前的模型曾预测不存在二氧化硫，但WASP-107b大气层的新型气候模型现在表明，WASP-107 b的蓬松度本身就能在其大气层中形成二氧化硫。尽管它的宿主恒星由于温度较低而发射出的高能光子相对较少，但由于其蓬松的特性，这些光子可以深入到行星的大气层中。这使得产生二氧化硫所需的化学反应得以发生。

由JWST上的中红外仪器（MIRI）的低分辨率光谱仪（LRS）捕捉到的暖海王星系外行星WASP-107b的透射光谱显示了该行星大气层中存在水蒸气、二氧化硫和硅酸盐（沙）云的证据。资料来源：Michiel Min / European MIRI EXO GTO team / ESA / NASA

云的组成和动力学

但这并不是他们观测到的全部。与无云的情况相比，二氧化硫和水蒸气的光谱特征都明显减弱。高空云层部分遮挡了大气中的水蒸气和二氧化硫。虽然其他系外行星上也有云层的推断，但这是天文学家第一次能够明确确定这些云层的化学成分。在这种情况下，云层由小硅酸盐颗粒组成，这是一种人类熟悉的物质，在世界许多地方都能找到，是沙子的主要成分。

"JWST 正在彻底改变系外行星的特征描述，以惊人的速度提供前所未有的洞察力，"领衔作者、鲁汶大学的 Leen Decin 教授说。"JWST的近红外成像仪在这颗蓬松的系外行星上发现了沙子、水和二氧化硫云，这是一个关键的里程碑。它重塑了我们对行星形成和演化的理解，为我们自己的太阳系带来了新的曙光"。

欧洲天文学家小组深入观察 WASP-107 b 的蓬松大气层，不仅发现了水蒸气和二氧化硫，甚至还发现了硅酸盐沙云。图片来源：插图： 比利时 LUCA 艺术学院/ Klaas Verpoest（视觉），Johan Van Looveren（排版）。科学： Achrène Dyrek（法国原子能委员会和巴黎城市大学）、Michiel Min（荷兰 SRON）、Leen Decin（比利时鲁汶大学）/欧洲 MIRI EXO GTO 小组/欧空局/美国宇航局

温度和云的形成

在地球大气中，水在低温下会凝结成冰，而在温度达到1000摄氏度（约1800华氏度）左右的气态行星中，硅酸盐颗粒会凝结成云。然而，WASP-107 b 的外层大气温度约为 500 摄氏度（约 900 华氏度），根据传统模型的预测，这些硅酸盐云应该是在大气深处形成的，那里的温度要高得多。此外，大气深处的沙云会下雨。那么，这些沙云怎么可能存在于高空并持续存在呢？

领衔作者米希尔-闵（Michiel Min）博士说："我们在高空看到这些沙云的事实肯定意味着，沙雨水滴在更深的高温层中蒸发，产生的硅酸盐蒸汽被有效地移回高空，在那里重新凝结，再次形成硅酸盐云。这与我们地球上的水蒸气和云的循环非常相似，但水滴是由沙子构成的"。WASP-107 b 的大气中之所以会持续存在沙云，就是因为这种通过垂直传输不断升华和凝结的循环。

詹姆斯-韦伯太空望远镜旨在研究系外行星的大气层，从而确定这些行星是否适合居住或是否含有生物特征。资料来源：诺斯罗普-格鲁曼公司

系外行星研究的进展

这项开创性的研究不仅揭示了WASP-107b的奇异世界，还推动了我们对系外行星大气的认识。它标志着系外行星探索的一个重要里程碑，揭示了这些遥远世界上化学物质和气候条件之间错综复杂的相互作用。

"JWST使我们能够对太阳系中没有任何对应的系外行星进行深入的大气表征，我们正在揭开新世界的面纱！"主要作者、巴黎CEA的Achrène Dyrek博士说。

近红外成像仪的设计与开发

得益于比利时联邦科学政策办公室 BELSPO 通过欧空局 PRODEX 计划提供的资金，比利时工程师和科学家在 MIRI 仪器的设计和开发过程中发挥了关键作用，其中包括列日空间中心（CSL）、泰雷兹阿莱尼亚航天公司（沙勒罗瓦）和 OIP 传感器系统公司（欧德纳德）。在鲁汶工程大学天文学研究所，仪器科学家在英国实验室、美国宇航局戈达德中心和美国宇航局约翰逊航天中心模拟太空环境的特殊测试舱中对 MIRI 仪器进行了广泛测试。

与欧洲和美国的同事们一起，我们已经建造和测试了近 20 年的 MIRI 仪器。仪器专家、鲁汶大学的 Bart Vandenbussche 博士说："看到我们的仪器揭开这颗引人入胜的系外行星大气层的面纱，我们感到非常有成就感。"

德国马克斯-普朗克天文研究所的 Jeroen Bouwman 博士说："这项研究综合了对 JWST 观测数据进行的多项独立分析的结果，不仅体现了我们多年来在 MIRI 仪器制造方面的投入，也体现了我们多年来在 MIRI 观测数据的校准和分析工具方面的投入。"