出品：科普中国

作者：王善钦

监制：中国科普博览

在上篇中，我们介绍了系外行星“动物园”与探测系外行星的4种最重要的方法。

接下来，我们开始介绍韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，以下简称“韦布”）拍摄的HIP 65426b的详细性质与它在研究系外行星方面的优势，并展望人类将来确认另一颗“地球”的激动人心的前景。

三、韦布的拍照对象——HIP 65426b

HIP 65426与其行星HIP 65426b构成的系统位于半人马座方向。在人眼最敏感的V波段，HIP 65426是一颗7等星，无法被人类的肉眼看到，因为肉眼看星的极限是6等或6.5等。所以我们只能借助望远镜才可以看到它。

根据GAIA卫星在2020年的测量，HIP 65426距离地球约350.6光年。它表面的温度约为8840 K，略高于太阳的表面温度（5772 K）。它的质量约为太阳质量的1.96倍。它的半径约为太阳半径的1.77倍。它的年龄约为1400万年，远低于太阳的年龄（约46亿年）。

HIP 65426b绕HIP 65426公转一周需要631年（指地球上的年，下同）。作为对比，距离太阳最远的行星海王星公转一周的时间为164.8年，矮行星冥王星公转一周的时间为247.94年。

HIP 65426的星图，它位于黄色圆圈中心，在亮星南门二A星（半人马座α星A星，Rigil Kent）与马腹一（半人马座β星，Hadar）附近 图片来源：Tomruen

在VLT-3发现HIP 65426 b之后、韦布拍摄它之前，天文学家就已通过各种手段研究了它的性质。这些研究表明：（1）HIP 65426 b非常“年轻”，年龄约为1400万年；相比之下，地球就比较“成熟”了，年龄约为46亿年。（2）HIP 65426 b的大气中的尘埃含量较高，缺乏碳，富含氧，存在水和二氧化碳，但甲烷和氨未被探测到。（3）HIP 65426 b的表面温度约为1560 K。（4）HIP 65426 b的质量约为木星质量的10或11倍。

按照行星形成理论，恒星周围的气体与尘埃逐渐凝聚成行星时，周围还会存在一些残存的盘物质。令天文学家费解的是，HIP 65426 b还这么年轻，它周围残存的盘却已经消失了。这与当前流行的理论模型矛盾。

韦布在中红外波段（3微米以上）的拍摄，有利于人们更透彻地了解这颗行星的性质。加州大学圣克鲁兹分校天文与天体物理系的Aarynn L. Carter主持了这项研究。他们利用韦布拍摄了7个波段的图像（见下图。为了使小图被排列地更美观，该团队只向媒体公布了其中4个波段的图像，见上篇第一张图）。

韦布拍摄的HIP 65426b的图像。7张小图拍摄的分别是这颗行星在平均波长分别为2.523微米、3.067微米、3.580微米、4.084微米、4.397微米、11.307微米与15.514微米的波段上的图像。白色五角星表示恒星所在的位置，恒星自身发出的光被星冕仪屏蔽了。图片来源：A. Carter et al. arXiv:2208.14990v2

在拍摄的图像中，HIP 65426与HIP 65426b的角距离约为0.82角秒，结合它们与地球的距离，Carter等人计算出HIP 65426b的平均轨道半径约为87天文单位（1天文单位等于1.5亿千米，即地球与太阳的平均距离），大约是海王星平均轨道半径的3倍、冥王星平均轨道半径的2倍。

Carter等人将韦布得到的数据与此前SPHERE得到的数据结合，得到了1~16微米范围内的亮度值，这个波长范围内的亮度占了HIP 65426 b总亮度的97%。

Carter等人将这些数据绘制成图（见下图）。

图中，韦布得到的七个波段的点用橙色空心点表示；SPHERE的积分场光谱仪（IFS）得到近红外光谱由密集的黑色空心三角形表示；SPHERE的红外差分成像仪和光谱仪（IRDIS）获得的测光点由黑色空心方块表示；搭配在VLT-1上的Nasmyth自适应光学系统-CONICA近红外相机（NACO）获得的测光点由黑色空心菱形表示。

上图：HIP 65426b的近红外光谱（左边密集三角空心点）、近红外-中红外测光数据（其他空心点，其中橙色空心圆点为韦布观测的数据）、最佳模型拟合线（蓝色粗线）与模型在一些波段得到的最佳值（蓝色实心小圆点），穿过点的棒表示误差范围。下图：各波段的残差（Residuals），即观测数据减去理论值之后得到的值。图片来源：A. Carter et al. arXiv:2208.14990v2

很显然，韦布补上了5微米以上的测光数据，且其在4微米左右的测量值与VLT的NACO得到的值有肉眼可见的差异。Carter等人用大气模型拟合这些数据（他们在拟合时未包括NACO的数据，因为它们与韦布得到的数据存在矛盾）。

模型拟合表明：HIP 65426 b的温度约为1673 K；HIP 65426 b的半径约为木星半径的0.92倍。Carter等人还将观测结果与演化模型结合，得到的行星半径约为木星半径的1.45倍，得到的表面温度约为1282 K。在此基础上，Carter等人计算出的HIP 65426 b的热亮度为太阳热亮度的10万分之4.5倍到10万分之6.2倍，进而它的质量约为木星质量的7.1倍（误差为木星质量的1.1倍）。

Carter等人的这个结果将此前得到的一些物理量的精度提高了3倍。

四、韦布的性能测试

在近红外波段与中红外波段，HIP 65426 b反射的母恒星的光分别仅为其母恒星发出的光的万分之一与几千分之一。韦布用星冕仪挡住恒星的光，拍下了这张照片。从直观上看，韦布拍摄的图没有VLT-3拍摄的清晰，但韦布拍摄到的是更长波长的中红外图像。

由于系外行星的温度比恒星低得多，其相当一部分辐射在中红外波段，被观测到的中红外辐射可以被用来与短波数据结合，用以构建更完整的能谱，进而推导出其温度、半径等重要性质（见上节）。在此基础上，人们还可以更精确地确定系外行星的热亮度与质量。

此外，相比于地面望远镜，韦布拍摄系外行星时还有以下优点：地面上的望远镜观测受到大气干扰，因此常常要用“自适应光学”技术消除大气的影响；韦布在太空中，不受大气干扰，因此不需要这个技术的辅助，这使它可以获得更精确的测量数据。

VLT-4（“Yepun”，意为“金星”）正在发射激光，制造激光导引星，用以执行“自适应光学”程序，消除大气对观测的影响。图片来源：G. Hüdepohl/ESO

Carter等人认为，韦布这次成功的拍摄表明它在拍摄系外行星方面的能力是预计中能力的10倍。

五、让我们的“暗淡蓝点”不再孤单

早在1584年，布鲁诺（Giordano Bruno，1548-1600）就猜测天上的那些恒星可能都有围绕着它们运转的行星。然而，直到1992年前，人类才首次发现系外行星，此时距离布鲁诺提出这个猜测已有400多年。

从那时到现在，人类发展出各种各样高精度的技术，发现了5000多颗系外行星与至少8000多颗待确认的候选体。这些技术既是人类心智的结晶，也代表着人类在寻找地球遥远的同类时的不懈努力。

韦布通过这次拍摄证明了它在观测系外行星方面的卓越性能，使其正式成为系外行星研究的重要一员。

韦布在中红外波段的观测对于构造一个完整的能谱，进而推断系外行星的温度、半径、热亮度与质量等重要数值特别重要。此外，它携带的敏锐的光谱仪使人们可以更精确地推断出一些处于母恒星的“宜居带”内的类地行星的大气与表面的化学成分，从而可以让人类进一步判断它们是否适合生命存活与演化。最后，韦布还同时拥有大口径、高灵敏度、高精确度等优点。

这些优点的结合，使韦布在确定系外行星性质、寻找另外的“地球”方面具有特殊的优势。

天文学家确认的可能适宜生命存活与演化的系外行星（“宜居行星”）。每颗行星下方给出了距离与名称，“ly”代表光年。右侧从上到下依次为太阳系内的地球（Earth）、火星（Mars）、木星（Jupiter）与海王星（Neptune）。图源：PHL @ UPR Arecibo (phl.upr.edu)

1990年2月14日，在太空中飞行了12年多的NASA的旅行者1号（Voyager 1）在距离地球60亿千米的地方拍下了一张珍贵的照片。在这张图中，只有0.12像素、看似微不足道的那个微小亮点就是地球，它几乎被相机反射阳光后形成的彩色光带淹没。

旅行者1号在距离地球60亿千米的太空中拍摄的地球，它在图中只是一个非常小的点 图源：NASA

1994年，著名天文学家与科普作家萨根（Carl Sagan，1934-1996）将图中那个点称为“暗淡蓝点”（Pale Blue Dot），并以此作为一本书的名字，这颗暗淡蓝点就是我们珍贵的家园。

当我们凝视着照片中的这个暗淡蓝点时，我们不禁会问：“我们的地球在宇宙中真的是孤单的吗？”人类逐步发现的一些可能的宜居行星已经能够让我们越来越乐观地给这个问题一个否定的答案。

虽然这些可能宜居的行星的各种性质依然与我们的地球存在差距，但我们可以乐观地预期：在韦布与其他强大的望远镜的助力下，人类将很快寻找到性质更接近我们地球、更适宜生命存活与演化的宜居行星，直到找到真正的另一颗地球，从而让我们所在的这颗暗淡蓝点不再那么孤单。

彩蛋：问答时间

**问题：**如何根据韦布发布的照片右下方的编号直接判断图像中辐射的平均波长的近似值？

**答：**将里面的数字直接除以100，再以微米为单位，得到的值与真实的平均波长的差异可以忽略不计。翻到上面那张有7张小图的图片试试看，再与图下方给出的波长对比一下。

来源: 中国科普博览

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