韦伯望远镜发现系外行星有近地水蒸气

艺术家们对GJ 486 b的设想是：一颗被岩石覆盖的，围绕着距离地球26光年的红矮星运动的系外行星。NASA的韦伯天文望远镜发现了微弱的证据可以证明在这颗行星上有水蒸气，但我们现在仍然不知道水蒸气是存在于该行星的大气层中还是星斑中。图片来自NASA/ ESA/ CSA/ Joseph Olmsted (STScI)/ Leah Hustak (STScI).

天文学家可以证明许多系外行星大气层中都存在着水蒸气。截至目前，所发现的这些行星都比地球大得多，比如气态矮星和超级木星。但是，那些稍小、和地球差不多大小的类地行星呢？因为距离的原因，我们很难探测到这些相对太小的星球上的水蒸气。然而，在2023年5月1日，来自英美的研究人员报道，他们在类地行星和围绕其运动的红矮星的大气层中军找到了水蒸气。天文学家们使用韦伯天文望远镜进行了这一26光年外的观测研究。

研究人员于2023年4月10日发布的相关新论文的初稿已经被天体物理期刊快报所接受发表。

韦伯望远镜探测到水蒸气

GJ 486 b行星，是一个类地行星，体积是地球的1.3倍，质量则是地球的3倍。这使得天文学家们称之为超级地球。它的轨道与其恒星的轨道十分接近，完成一周的运动只需要1.5天。因此，非常不幸的是，科学家们预估其温度高达800华氏度（430摄氏度），这使得它看起来并不适合任何生命。科学家们发现它似乎被潮汐锁定了，因此总是以同样的一面朝向它的恒星。

尽管有如此高温，GJ 486 b的大气层中仍然可能存在水蒸气，当然，前提是这颗行星存在大气层，然而这一点现在仍然不能确定。

不过，韦伯的观测结果的确显示了水蒸气的蛛丝马迹，这已经是一件让人激动的事情了。

（水蒸气）是存在于行星上，还是它的恒星上？

最大的问题在于：水蒸气是否存在于行星上，还是说实际上是在它的恒星上？

来自亚利桑那大学的第一作者发表评论称：我们发现了确切的，只有水才能留下的痕迹。但是我们不能确定水是来自行星的大气层，或者说该行星是否有大气层，同时，该表明有水的证据实际上来自恒星。

来自约翰霍普金斯大学的Kevin Stevenson补充到：在高温类地行星上发现水蒸气的存在将是系外行星科学的一个重大突破。但是我们必须排除恒星的干扰。

行星凌日给我们提供了证据

那么，科学家们是如何探测到水蒸气的呢？从地球上看，韦伯在GJ 486 b经过其恒星时对它进行了观测，并且这一行为不止一次，一共有两次。每次凌日现象都持续约1小时。研究人员使用三种技术对它进行了数据分析。

有趣的是，这三种方法都得出了相似的结果，来自行星和恒星的透射光谱大部分是平坦的。然而，在最短红外光的波谱区域出现了突然的增长。那么，是什么导致了这一增长呢？科学家们发现的是哪些原子导致的呢？为了调查清楚，研究人员使用不同的原子在电脑中假设了模型。结果是，对这一观测的最好解释是水蒸气。

GJ 486 b的发射光谱表明水蒸气的存在。上述图表将水蒸气可能存在于大气层还是星斑这两种不同地方的两种模型进行了比较。图片来源：NASA/ ESA/ CSA/ Joseph Olmsted (STScI)/ Sarah E. Moran (University of Arizona)/ Kevin B. Stevenson (APL)/ Ryan MacDonald (University of Michigan)/ Jacob A. Lustig-Yaeger (APL).

水蒸气存在于星斑中？

如果水蒸气不存在于行星的大气层中，那么它就存在于红矮星的星斑中，存在于恒星表面黑色的斑点就好比我们太阳上的太阳黑子。这是可能的吗？不可思议的是，水蒸气可以存在于星斑中是因为星斑中的温度远低于其周围太阳表面的温度。

研究人员认为，由于GJ 486 b的恒星温度已经远低于我们的太阳，其星斑中的温度更会远低于太阳黑子。因此，该恒星的星斑可以储存甚至更多水蒸气。如果行星在凌日的时候划过星斑，那么这一现象就会使得存在于星斑中的水蒸气看起来像是存在于行星上一样。这是一个值得令人拍手称赞的理论，尽管仍然存在一个问题，即科学家们从未观测到行星凌日发生于星斑之前。但是也有可能是存在天文学家尚未看到的星斑。

来自密歇根大学的共同作者认为：我们仍然没有观测到发生在星斑前的行星凌日现象。但是这并不意味着在恒星上不会存在其他星斑，并且这一物理现象的确会导致水分子最终看起来就像位于大气层中一样。

需要更多更深入的观测

现如今，仍然无法确定水蒸气的来源是行星还是恒星。研究人员说他们仍然需要借助韦伯望远镜的两个部件去进行更多的观察，以确定水蒸气的真正来源。

中红外仪器（MIRI）将观测行星的向阳侧。如果行星没有大气层，或者只有非常稀薄的大气，那么行星向阳面温度最高的区域将会直面恒星。与此同时，如果最热的区域移动了，这一现象将说明存在可以使得热循环的大气层。

此外，近红外成像机和无狭缝光谱设备(NIRISS)可以区别这一现象是由行星大气层还是星斑引起的。但是只有一系列设备的组合可以最终给出GJ 486 b上是否存在水蒸气的结论。

正如Stevenson指出的：多种仪器的合作才能真正确定这颗行星是否有大气层。

在2019年，据天文学家报道，在另一个超级地球——K2-18b的大气层中找到了水蒸气。这个行星一度被认为是宜居行星。而后，研究人员说到这颗行星更像是一个气态矮星，有一层厚厚的由氢元素组成的大气，可能没有固体表面。

BY:Paul Scott Andersonand

FY: 胡羽舒

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来源: 天文在线