天文学家利用 JWST（韦伯望远镜） 研究了系外行星 HAT-P-18 b 的大气层，在其中他们发现了水蒸气和二氧化碳，同时强调了主恒星特性对数据分析的影响。在蒙特利尔大学特罗蒂埃系外行星研究所（iREx）研究人员的领导下，一个天文学家小组利用革命性的詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）的力量研究了"热土星"系外行星HAT-P-18 b。
他们的研究结果发表在上个月的《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）杂志上，描绘了HAT-P-18 b大气层的全貌，同时探索了将其大气层信号与其恒星活动区分开来的巨大挑战。
HAT-P-18 b 位于 500 多光年之外，质量与土星相近，但大小更接近大行星木星。因此，这颗系外行星拥有一个"膨胀"的大气层，特别适合进行分析。
"热土星"系外行星 HAT-P-18 b 的艺术表现。
JWST 的观测数据是在 HAT-P-18 b 从其类似太阳的恒星前经过时拍摄的。这一时刻被称为凌日，对于从数百光年外以惊人的精度探测系外行星并进一步确定其特征至关重要。
天文学家并不观测遥远行星直接发出的光。相反，他们研究的是中心恒星的光线是如何被绕其运行的行星阻挡和影响的，因此必须设法将行星的存在所造成的信号与恒星自身特性所造成的信号区分开来。
光曲线显示了恒星随时间变化的光度或亮度。当系外行星经过恒星上空时，即所谓的凌日，恒星的部分光线会被系外行星挡住。因此，恒星的亮度会降低。当恒星表面的星斑被遮挡，或者系外行星从暗斑上方经过时，天文学家就能在光曲线中看到一个信号，即凌日光曲线底部的一个小凸起。请看下面这张信息图的完整动画。资料来源：B. Gougeon/蒙特利尔大学
就像我们的太阳一样，恒星的表面并不均匀。它们会有暗星点和亮区，从而产生模仿行星大气属性的信号。最近由UdeM博士生Olivia Lim领导的一项关于系外行星TRAPPIST-1 b及其恒星TRAPPIST-1的研究见证了恒星表面的一次爆发，即耀斑，这影响了观测结果。
在行星HAT-P-18 b的情况中，当系外行星经过其恒星HAT-P-18上的一个黑点时，韦伯正好捕捉到了它。这就是所谓的光斑穿越事件，其影响在新研究收集的数据中显而易见。iREx 小组还报告说，HAT-P-18 表面还存在许多其他星斑，这些星斑并没有被系外行星遮挡住。
为了准确确定系外行星的大气成分，研究人员必须同时模拟该行星的大气层及其恒星的特殊性。他们在研究中指出，这种考虑对于未来通过韦伯望远镜进行系外行星观测以充分发挥其潜力至关重要。
"我们发现，考虑到恒星污染意味着存在光斑和云层，而不是雾霾，并且恢复出的水蒸气丰度几乎低了一个数量级，"领衔作者玛丽卢-福尼尔-通德罗（Marylou Fournier-Tondreau）说。因此，考虑到该系统的主星会产生很大的不同。实际上，这是我们第一次清晰地将朦胧和星斑的特征区分开来，这要归功于加拿大的近红外成像仪和无缝光谱仪（NIRISS）仪器，该仪器的波长覆盖范围更广，可以延伸到可见光领域。"
炙热大气中的 H2O、CO2 和云层
在对系外行星和 HAT-P-18 系统中的恒星进行建模后，iREx 天文学家对 HAT-P-18 b 的大气成分进行了细致的分析。通过检测系外行星大气中穿过其主恒星时的光线，研究人员发现了水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）的存在。
研究人员还检测到钠的可能存在，并观察到 HAT-P-18 b 大气层中存在云层的强烈迹象，这似乎会减弱其中许多分子的信号。他们还得出结论，这颗恒星的表面被许多黑点覆盖，这些黑点会严重影响数据的解读。
约翰-霍普金斯大学的一个研究小组早些时候对 JWST 的相同数据进行了分析，结果也显示出对水和二氧化碳的清晰探测，但也报告说在高空探测到了被称为"朦胧"的小颗粒，并发现了甲烷（CH4）的蛛丝马迹。iREx 天文学家描绘了一幅不同的画面。
CH4的探测结果没有得到证实，他们测定的水丰度比以前发现的低10倍。他们还发现，之前研究发现的朦胧现象可能是恒星表面的星斑造成的，这突出了在分析中考虑恒星的重要性。
系外行星能否支持生命？不太可能。虽然水、二氧化碳和甲烷等分子在一定比例下或与其他分子结合在一起时可以被解释为生物特征或生命迹象，但HAT-P-18 b接近600摄氏度的炙热温度对该行星的宜居性来说并不是个好兆头。
JWST 的另一个仪器--近红外摄谱仪（NIRSpec）的未来观测有望帮助完善研究小组的成果，如二氧化碳的探测，并为这颗炙热的土星系外行星的复杂性提供更多的信息。
编译来源：ScitechDaily