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在700光年外的行星上，科學(xué)家看到了可樂的原材料 | 賽先生天文

2022/11/17
導(dǎo)讀

可口可樂星光口味，圖片來源：zureli.com


  • 導(dǎo) 讀

太陽系內(nèi)的巨行星大氣中的主要成分是氫和氦，它們也是宇宙中豐度最高的兩種元素。但在地球上，它們大約只能用來做氫彈和輕氣球（笑），頗為無聊。要是有二氧化碳就好了，至少可以制作可樂，更何況它還是生命的基石和探針。本期賽先生天文，讓我們看看最強(qiáng)天空之眼——韋布空間望遠(yuǎn)鏡在尋找行星上的二氧化碳的過程中帶給了我們哪些驚喜！

撰文 | 王煒（中國科學(xué)院國家天文臺(tái)）
責(zé)編 | 王馨心、呂浩然

  • 韋布一日同風(fēng)起，扶搖直上百萬里

要說當(dāng)今天文學(xué)界最耀眼的網(wǎng)紅流量大咖，那必是距離地球150萬公里、身處低溫干燥陰暗孤獨(dú)的直播間的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，以下簡(jiǎn)稱韋布或JWST）。韋布利用其巨大而拉風(fēng)的鍍金鏡面和高科技滿滿的鏡頭，不間斷地直播著宇宙中神秘而有趣的天體。它的首次公開直播是2022年7月11，主播當(dāng)天發(fā)布了首批公開圖片及光譜，瞬間震驚了天文圈，燃爆了吃瓜圈，獲得無數(shù)點(diǎn)贊和粉絲。這些美圖從多個(gè)方面展示了韋布劃時(shí)代的能力，其性能提升遠(yuǎn)超于每一代新iPhone手機(jī)所吹噓的各種技術(shù)革命。

韋布原本只是在天文圈內(nèi)部惹人關(guān)注和揪心，尤其對(duì)于指著它安身立命、養(yǎng)家糊口的年輕學(xué)者和學(xué)生們。韋布最初的方案于1996年提出，主鏡口徑八米，預(yù)算僅僅10億美元，預(yù)計(jì)2007年發(fā)射。那時(shí)候它還叫“下一代空間望遠(yuǎn)鏡（Next Generation Space Telescope）”， 是哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的繼任者，只是更偏向于紅外和高紅移研究。然而，因?yàn)榉N種原因，到了2008年其初步設(shè)計(jì)方案才獲通過，當(dāng)時(shí)所預(yù)計(jì)的發(fā)射時(shí)間為2014年。之后，韋布就出圈了，開始有了“鴿王”的稱號(hào)，并逐漸坐穩(wěn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，韋布“鴿”了至少12次，期間不知道有多少博士為此徹夜難眠，更有多少聲栓Q消失在風(fēng)中。

圖1：韋布太空望遠(yuǎn)鏡的藝術(shù)想象圖。圖片來源：NASA GSFC/CIL/ADRIANA MANRIQUE GUTIERREZ

等待的過程無疑是痛苦和煎熬的。然而，漫長(zhǎng)等待之后的成功將帶來更愉快的享受，就像在網(wǎng)紅餐廳門外排隊(duì)2小時(shí)、等菜1小時(shí)之后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這家餐館的招牌菜真的很美味。話說回來，韋布這個(gè)史上最貴的空間望遠(yuǎn)鏡也對(duì)得起大家的期待，它真的很牛，盡管我們也的確被餓了好久。

  • 不畏浮云遮望眼，只緣身負(fù)最利器

韋布已公布的早期成果里，包括了對(duì)3顆系外行星的研究。首先是在熱木星WASP-96b的大氣中探測(cè)到了水（見圖2）。這顆行星是廣角行星搜索（Wide Angle Search for Planets, WASP）項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的第96顆系外行星，距離地球約1120光年。它的主星是一顆G型星，溫度和質(zhì)量與太陽類似，只是略微年老一些。WASP-96b是一個(gè)“熱木星”，質(zhì)量是木星一半左右，半徑卻是木星半徑的1.2倍，因此密度只有木星的1/3左右，而溫度則可達(dá)1200K（木星表面僅有165K，即-108℃）。熱木星就是這樣一類天體，它們的半徑與太陽系內(nèi)的木星類似，但因?yàn)楣D(zhuǎn)周期短、離恒星近，且已被潮汐鎖定，因此行星溫度遠(yuǎn)超木星溫度，最高可達(dá)7660K!

WASP96b是一個(gè)凌星行星，它的軌道面與視線方向一致，因此行星會(huì)周期性地運(yùn)行到主星與地球之間從而擋住主星星盤的一部分，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的亮度有微弱的下降，一般呈現(xiàn)為U型的光變曲線（見圖2）。對(duì)于沒有大氣的行星，U型坑的深度大約正比于行星完全不透明部分（圖中黑色實(shí)心圓）與恒星面積之比，對(duì)于有大氣的行星，其大氣也會(huì)產(chǎn)生額外的吸收（圖中灰色圓環(huán)）。可以理解，因?yàn)檫B續(xù)譜吸收的波長(zhǎng)依賴和原子、分子、粒子的選擇性吸收，不同的波長(zhǎng)處的凌星深度（簡(jiǎn)稱食深）也不同。反過來，通過測(cè)量不同波長(zhǎng)處的食深，可以用來研究行星大氣的性質(zhì)。

圖2：WASP-96b的光變曲線及幾何示意圖。圖片來源：NASA

為研究WASP-96b的大氣，韋布“凝視”了這個(gè)系統(tǒng)6時(shí)23分，覆蓋了一次完整的凌星事件，且包括前后各2小時(shí)左右的凌星外基線觀測(cè)，其配備的近紅外光譜儀NIRISS獲得了280條光譜。經(jīng)過復(fù)雜而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)處理，扣除了恒星的干擾，獲得了如圖3這條光譜（白色實(shí)心圓+灰色誤差棒）。研究人員建立了行星大氣模型，通過與觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，給出了最佳擬合結(jié)果（圖3中的藍(lán)色實(shí)線），這樣的結(jié)果暗示W(wǎng)ASP-96b的溫度為725攝氏度，且大氣中含有水蒸氣和云霧。

對(duì)比起來，之前的研究表明這顆行星的大氣中沒有云，且行星的溫度更高一些（830-1710 K）[1, 2, 3]。這其實(shí)可能是因?yàn)樵频恼趽?，這些早期的觀測(cè)只看到了較高層的大氣，而韋布的紅外波段可以透過行星大氣，尤其是云霧探測(cè)到底層大氣的情況。其更高的靈敏度和精度使得探測(cè)更弱的信號(hào)成為可能，因此探測(cè)到了云和水，而且得到的溫度更低。由此可見，韋布的確是研究系外行星大氣的利器。在這個(gè)工作中，探測(cè)到水并沒有太令人吃驚，因?yàn)榇蟛糠譄崮拘嵌际殖睗?span style="font-size: 12px;color: #888888;">[4]。

根據(jù)圖3，筆者估計(jì)了一下：韋布光譜數(shù)據(jù)的噪聲水平大約為200-400ppm （1 ppm = 10^-6），也就是0.02%的亮度變化，看起來很不錯(cuò)，但與當(dāng)前研究行星大氣的主流設(shè)備（哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和地面8米級(jí)望遠(yuǎn)鏡）相比，并無明顯優(yōu)勢(shì)。盡管其光譜分辨率有顯著提高，但對(duì)分子帶探測(cè)來說，重要性并不是很顯著。也因此，此工作對(duì)筆者觸動(dòng)不大，并沒有很“解饞”。

圖3：韋布望遠(yuǎn)鏡NIRISS光譜儀拍攝的系外行星WASP-96b的光譜。圖片來源：NASA

  • 牛刀小試得鐵證，“圖”不驚人死不休

令筆者更感興趣和震驚的是韋布對(duì)另一個(gè)由WASP項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的熱木星WASP-39b的觀測(cè)結(jié)果。WASP-39b距離地球約700光年，公轉(zhuǎn)周期4.05526天，行星溫度1170K，質(zhì)量是木星的0.28倍，半徑卻是木星半徑的1.27倍，密度只有0.18克/立方厘米，是已知的密度最低的幾個(gè)行星之一。這樣蓬松的行星壓力標(biāo)高，透射光譜信號(hào)強(qiáng)，是開展大氣觀測(cè)研究的絕佳樣本。而人類的確已在這個(gè)行星大氣中明確地探測(cè)到了金屬鈉、鉀、水蒸氣，并指出可能存在有二氧化碳。這也是韋布凌星早期科學(xué)團(tuán)隊(duì)把這個(gè)行星作為觀測(cè)目標(biāo)的主要原因之一。另外一個(gè)重要原因在于，WASP-39b的大氣信號(hào)受到其主星恒星活動(dòng)的影響很小。

值得一提的是，WASP-39b和它的母星各有一個(gè)通俗的名字Boca Prins（博卡·普林斯）和Malmok（馬爾默科），來源于2019年的系外行星命名（NameExoWorlds II）活動(dòng)。為慶祝國際天文聯(lián)合會(huì)IAU成立100周年，IAU給全球每個(gè)國家分配了一顆在其國土利用小型望遠(yuǎn)鏡就可看到的行星系統(tǒng)，每個(gè)國家都組織了全國性的投票來選擇一個(gè)通俗的名字。眾所周知，位于加勒比地區(qū)的荷屬阿魯巴國有眾多美麗的海灘，而Boca Prins和Malmok這2個(gè)美麗海灘的名字脫穎而出。當(dāng)然，我們天文學(xué)家并沒有期待這顆行星上有海灘。

大約4年前，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡（Spitzer Space Telescope，縮寫為SST）獲得了WASP-39b在3.5微米和4.5微米兩個(gè)波段的食深，發(fā)現(xiàn)后者顯著大于前者（圖4），當(dāng)時(shí)的科學(xué)家認(rèn)為這可能暗示了二氧化碳的存在，但無法完全確認(rèn)[5]。斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的寬波段測(cè)光無法給出更嚴(yán)格的限制，而彼時(shí)也并無其它可用的設(shè)備在4微米波段工作。

圖4：哈勃空間望遠(yuǎn)鏡和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡獲得的WASP-39b的透射光譜。圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]

好在現(xiàn)在有了韋布。這次負(fù)責(zé)給行星拍攝光譜的是韋布的另外一個(gè)名為NIRSpec的天文儀器。韋布在2022年7月10號(hào)當(dāng)天連續(xù)觀測(cè)了8小時(shí)13分，獲得了21500條光譜，其中有2小時(shí)48分行星位于恒星正前方，恒星輻射通過行星大氣，留下了彌足珍貴的化學(xué)印記。數(shù)據(jù)處理分析后獲得的光譜見圖5。

圖5：韋布望遠(yuǎn)鏡NIRSpec光譜儀獲得的系外行星WASP-39b的透射光譜。圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]

光譜中明顯可見4.3微米處極為顯著的凸起。通過與模型的對(duì)比分析，艾娃-瑪利亞·阿瑞爾（Eva-Maria Ahrer）等人認(rèn)為這個(gè)凸起應(yīng)該是由行星大氣中二氧化碳分子的吸收導(dǎo)致。圖中藍(lán)線是考慮了水、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫和甲烷以及云霾之后的總大氣吸收，與觀測(cè)數(shù)據(jù)（帶誤差棒的黑色實(shí)心圓）吻合良好，而一旦忽略二氧化碳，模型（黑色實(shí)線）就與觀測(cè)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。

其它系外行星中（例如HD189733b、HAT-P-7b）也有探測(cè)到二氧化碳，但置信度都不高，而韋布這次觀測(cè)WASP-39b所探測(cè)到的二氧化碳的置信度高達(dá)26！難怪所有看到數(shù)據(jù)的業(yè)內(nèi)人士都贊嘆不已，美國航空航天局（NASA）的杰西·克里斯蒂安森（Jessie Christiansen）博士驚呼：這是第一次“懟臉”（punch in the face）的探測(cè)！

筆者深有同感！多年的系外行星大氣工作中，似乎從未見到、更從未有幸遇到如此高置信度的數(shù)據(jù)。怎么理解置信度26呢？如果寫一個(gè)觀測(cè)申請(qǐng)，聲稱要實(shí)現(xiàn)這么高置信度的探測(cè)，時(shí)間分配委員多半會(huì)建議減少觀測(cè)時(shí)間，達(dá)到5左右的置信度即可。這樣讓人驚嘆的成果，無疑讓業(yè)內(nèi)人士對(duì)韋伯信心百倍。假設(shè)能保持如此高的置信度，韋布在第一年運(yùn)行期將觀測(cè)76顆系外行星，整個(gè)任務(wù)期將觀測(cè)上百顆行星。這些觀測(cè)很可能給系外行星研究帶來巨大的變革。

  • 超豐的碳酸氣：年少瘋狂碰撞多 vs. 距離太近犧牲多？

這場(chǎng)盛宴不僅僅是技術(shù)上的突破，在系外行星大氣中明確探測(cè)到二氧化碳這件事本身也是非常令人興奮，更是值得大書特書。

目前的理論認(rèn)為，恒星形成于分子云坍縮，在此過程中會(huì)分子云因?yàn)樾D(zhuǎn)而形成原行星盤，行星就誕生于原行星盤之中。因此可合理假設(shè)，行星與恒星的金屬豐度應(yīng)該一樣。然而，事實(shí)并非如此。我們的太陽系就沒這么理想，比如，金星大氣中96.5%都是二氧化碳，因此金屬含量極高；而許多系外行星系統(tǒng)也不符合這一假設(shè)，其中WASP-39b就是一個(gè)典型的例子。

在對(duì)比模型與觀測(cè)之后，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)WASP-39b大氣中主要除了氫和氦之外，最多的是水和一氧化碳，體積混合比接近1%，其次是硫化氫占比萬分之幾，二氧化碳含量約十萬分之幾，還有更少量的甲烷，總的金屬（在天文學(xué)中，所有比氦重的元素都被視為金屬）豐度是太陽的10倍，而它主恒星的金屬豐度與太陽類似。那么，為什么會(huì)有10倍的差異呢？那些金屬哪去了？

讓我們先從太陽系內(nèi)行星說起。系內(nèi)行星大氣分為三類。第一類是原生大氣，是行星形成過程中從原行星盤吸積而來，主要成分是氫和氦，大氣層比較厚，木星和土星就屬于此類。第二類是次生大氣，它們并不是吸積產(chǎn)生，而是內(nèi)部火山活動(dòng)或者外部彗星撞擊而產(chǎn)生的大氣。太陽系內(nèi)除地球以外的類地行星包括水星、金星、火星都擁有此類大氣。第三類就是三生大氣，是在次生大氣的基礎(chǔ)上因生物活動(dòng)而有所改變的大氣，目前只有地球大氣屬于此類。

受觀測(cè)數(shù)據(jù)限制，我們對(duì)系外行星的了解肯定不如系內(nèi)行星。對(duì)于只有氫和氦的濃厚的原生大氣，光譜信號(hào)弱且譜線少，觀測(cè)極為困難，只能用于研究高層大氣和逃逸層。而那些比較稀薄的、金屬豐度高的、存有大量重元素分子的大氣，才更容易被探測(cè)到。也就是說，我們采用天文方法用望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的系外行星大氣絕大部分應(yīng)該是次生大氣。這些次生大氣有可能是行星年輕時(shí)受到彗星、小行星撞擊而形成的，它們中大量的金屬（包括碳）會(huì)留在行星中。但也可能是因?yàn)楦邔哟髿庵械臍浜秃な艿胶阈浅毕?、恒星紫外輻射等因素影響而逃逸，?dǎo)致殘留大氣的金屬豐度增高。

具體到WASP-39b這顆行星，它距離其主星只有0.05個(gè)天文單位（天文單位是日地平均距離，約1.5億公里），接受的輻射強(qiáng)、溫度高、密度低，高層大氣部分逃逸的可能性無法排除。而另一方面，WASP-39b的金屬豐度、半徑、質(zhì)量都與土星類似，而土星早期的確是經(jīng)受了很多碰撞，因此，也無法排除WASP-39b的次生大氣是由行星形成早起經(jīng)歷“天地大碰撞”導(dǎo)致的可能性。

  • 知否？知否？它是生命基石！

地球上的二氧化碳貌似已成為過街老鼠，是許多科學(xué)家口中全球升溫的罪魁禍?zhǔn)祝ㄗⅲ汗P者并不贊同）。但實(shí)際上，它更是地球生命誕生和發(fā)展的基石。所有生命，包括植物、動(dòng)物、細(xì)菌、病毒，其主要成分是水和碳水化合物，含量最高的元素是氧和碳。人類和動(dòng)物可以通過呼吸直接獲取氧元素，而碳元素就必須通過吃動(dòng)物或植物來獲得（除非是可以直接吃大理石、石灰石等巖石的生命），而植物可以直接吸收空氣中的二氧化碳。試想，如果地球大氣中沒有二氧化碳，我們所熟知的碳基生命就很難產(chǎn)生了。

當(dāng)然，行星大氣中存在二氧化碳不代表行星上一定有生命，尤其是類似WASP-39b這樣的氣態(tài)巨行星。對(duì)于巖石類行星，也同樣如此，因?yàn)榉巧镞^程也可以產(chǎn)生二氧化碳。但如果在大氣中同時(shí)探測(cè)到了甲烷和二氧化碳，說明很可能有生命存在，因?yàn)榧淄樵谘趸源髿庵泻芏痰臅r(shí)標(biāo)內(nèi)就會(huì)被氧化，如果沒有大量產(chǎn)生甲烷的機(jī)制，大氣中便不應(yīng)該存在甲烷。而甲烷的主要產(chǎn)生機(jī)制是生物過程。

一般認(rèn)為，氧氣和臭氧是最明確可靠的生物信號(hào)，但前者信號(hào)很弱，后者也分布在遠(yuǎn)紫外（0.25微米附近）或中紅外波段（10微米），因此探測(cè)非常困難，即使當(dāng)代最強(qiáng)大的韋布也無法完成在類地行星中搜尋這些信號(hào)的重任。此次韋布在WASP-39b大氣中明確探測(cè)到二氧化碳，為人類研究系外生命提供了一個(gè)機(jī)會(huì)。重點(diǎn)利用NIRSPEC結(jié)合NIRISS觀測(cè)超級(jí)地球或者紅矮星周圍的類地行星，嘗試探測(cè)二氧化碳、一氧化碳、甲烷等氣體，或許能夠提供更多系外宜居世界與生命相關(guān)的信息和知識(shí)。

然而，探測(cè)系外生命的最后一棒可能需要未來大口徑單鏡面紫外光學(xué)空間望遠(yuǎn)鏡來完成。比如，美國十年規(guī)劃提出最早于2040年部署的6米紫外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，以及我國提出的2035年代的天鄰計(jì)劃（大型紫外光學(xué)深空天文臺(tái)）。單鏡面可保證更好的成像質(zhì)量、更好的星光抑制比，而紫外和光學(xué)波段則是探測(cè)臭氧、氧氣乃至葉綠素這些明確生命信號(hào)的最佳波段。

  • 結(jié) 語

總有人說二十一世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì)，事實(shí)也的確如此。近年來，地球上的生命科學(xué)發(fā)展的確極為迅速。身為一名天文工作者，本人無比期待“天體生物學(xué)”也能在二十一世紀(jì)取得想韋布那樣劃時(shí)代的進(jìn)步。

  • 作者簡(jiǎn)介

王煒，國家天文臺(tái)項(xiàng)目研究員。2002年畢業(yè)于北京大學(xué)天文系，2007年在北京大學(xué)獲得理學(xué)博士學(xué)位，2008年赴德國馬普天文所開展博士后研究，2015-2021年任中國科學(xué)院南美天文中心副主任。研究領(lǐng)域是太陽系外行星，主要從事系外行星大氣的觀測(cè)和模型研究，目前負(fù)責(zé)推動(dòng)天鄰計(jì)劃。

  • 參考文獻(xiàn)

[1] “ACCESS: Confirmation of a Clear Atmosphere for WASP-96b and a Comparison of Light Curve Detrending Techniques”, Chima D. et al., 2022, AJ, 164, 134
[2] “An absolute sodium abundance for a cloud-free 'hot Saturn' exoplanet”, Nikolov et al., 2021, Nature, 557, 526
[3] “On the Compatibility of Ground-based and Space-based Data: WASP-96 b, an Example”, Yip et al., 2020, AJ, 161, 4
[4] “A unique hot Jupiter spectral sequence with evidence for compositional diversity”, Mansfield et al. 2021, Nature Astronomy, 5, 1224-1232 
[5] “The Complete Transmission Spectrum of WASP-39b with a Precise Water Constraint”, Wakeford H.R., 2018, AJ, 155, 29 
[6]  “Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere”, Ahrer E.-M., 2022, arXiv: 2208.11692


制版編輯 | Livan

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