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在700光年外的行星上，科學家看到了可樂的原材料 | 賽先生天文

2022/11/17
導讀

可口可樂星光口味，圖片來源：zureli.com


  • 導 讀

太陽系內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，讓我們看看最強天空之眼——韋布空間望遠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（中國科學院國家天文臺）
責編 | 王馨心、呂浩然

  • 韋布一日同風起，扶搖直上百萬里

要說當今天文學界最耀眼的網(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的直播間的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱韋布或JWST）。韋布利用其巨大而拉風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)點贊和粉絲。這些美圖從多個方面展示了韋布劃時代的能力，其性能提升遠超于每一代新iPhone手機所吹噓的各種技術革命。

韋布原本只是在天文圈內部惹人關注和揪心，尤其對于指著它安身立命、養(yǎng)家糊口的年輕學者和學生們。韋布最初的方案于1996年提出，主鏡口徑八米，預算僅僅10億美元，預計2007年發(fā)射。那時候它還叫“下一代空間望遠鏡（Next Generation Space Telescope）”， 是哈勃空間望遠鏡的繼任者，只是更偏向于紅外和高紅移研究。然而，因為種種原因，到了2008年其初步設計方案才獲通過，當時所預計的發(fā)射時間為2014年。之后，韋布就出圈了，開始有了“鴿王”的稱號，并逐漸坐穩(wěn)。據(jù)不完全統(tǒng)計，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消失在風中。

圖1：韋布太空望遠鏡的藝術想象圖。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2小時、等菜1小時之后，你會發(fā)現(xiàn)這家餐館的招牌菜真的很美味。話說回來，韋布這個史上最貴的空間望遠鏡也對得起大家的期待，它真的很牛，盡管我們也的確被餓了好久。

  • 不畏浮云遮望眼，只緣身負最利器

韋布已公布的早期成果里，包括了對3顆系外行星的研究。首先是在熱木星WASP-96b的大氣中探測到了水（見圖2）。這顆行星是廣角行星搜索（Wide Angle Search for Planets, WASP）項目發(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，溫度和質量與太陽類似，只是略微年老一些。WASP-96b是一個“熱木星”，質量是木星一半左右，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的木星類似，但因為公轉周期短、離恒星近，且已被潮汐鎖定，因此行星溫度遠超木星溫度，最高可達7660K!

WASP96b是一個凌星行星，它的軌道面與視線方向一致，因此行星會周期性地運行到主星與地球之間從而擋住主星星盤的一部分，導致整個系統(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（圖中黑色實心圓）與恒星面積之比，對于有大氣的行星，其大氣也會產(chǎn)生額外的吸收（圖中灰色圓環(huán)）?？梢岳斫?，因為連續(xù)譜吸收的波長依賴和原子、分子、粒子的選擇性吸收，不同的波長處的凌星深度（簡稱食深）也不同。反過來，通過測量不同波長處的食深，可以用來研究行星大氣的性質。

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”了這個系統(tǒng)6時23分，覆蓋了一次完整的凌星事件，且包括前后各2小時左右的凌星外基線觀測，其配備的近紅外光譜儀NIRISS獲得了280條光譜。經(jīng)過復雜而嚴謹?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，通過與觀測數(shù)據(jù)的對比，給出了最佳擬合結果（圖3中的藍色實線），這樣的結果暗示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]。這其實可能是因為云的遮擋，這些早期的觀測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，尤其是云霧探測到底層大氣的情況。其更高的靈敏度和精度使得探測更弱的信號成為可能，因此探測到了云和水，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。在這個工作中，探測到水并沒有太令人吃驚，因為大部分熱木星都十分潮濕[4]。

根據(jù)圖3，筆者估計了一下：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，但與當前研究行星大氣的主流設備（哈勃空間望遠鏡和地面8米級望遠鏡）相比，并無明顯優(yōu)勢。盡管其光譜分辨率有顯著提高，但對分子帶探測來說，重要性并不是很顯著。也因此，此工作對筆者觸動不大，并沒有很“解饞”。

圖3：韋布望遠鏡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另一個由WASP項目發(fā)現(xiàn)的熱木星WASP-39b的觀測結果。WASP-39b距離地球約700光年，公轉周期4.05526天，行星溫度1170K，質量是木星的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行星之一。這樣蓬松的行星壓力標高，透射光譜信號強，是開展大氣觀測研究的絕佳樣本。而人類的確已在這個行星大氣中明確地探測到了金屬鈉、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團隊把這個行星作為觀測目標的主要原因之一。另外一個重要原因在于，WASP-39b的大氣信號受到其主星恒星活動的影響很小。

值得一提的是，WASP-39b和它的母星各有一個通俗的名字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。為慶祝國際天文聯(lián)合會IAU成立100周年，IAU給全球每個國家分配了一顆在其國土利用小型望遠鏡就可看到的行星系統(tǒng)，每個國家都組織了全國性的投票來選擇一個通俗的名字。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個美麗海灘的名字脫穎而出。當然，我們天文學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微米兩個波段的食深，發(fā)現(xiàn)后者顯著大于前者（圖4），當時的科學家認為這可能暗示了二氧化碳的存在，但無法完全確認[5]。斯皮策空間望遠鏡的寬波段測光無法給出更嚴格的限制，而彼時也并無其它可用的設備在4微米波段工作。

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

好在現(xiàn)在有了韋布。這次負責給行星拍攝光譜的是韋布的另外一個名為NIRSpec的天文儀器。韋布在2022年7月10號當天連續(xù)觀測了8小時13分，獲得了21500條光譜，其中有2小時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[5]

光譜中明顯可見4.3微米處極為顯著的凸起。通過與模型的對比分析，艾娃-瑪利亞·阿瑞爾（Eva-Maria Ahrer）等人認為這個凸起應該是由行星大氣中二氧化碳分子的吸收導致。圖中藍線是考慮了水、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，與觀測數(shù)據(jù)（帶誤差棒的黑色實心圓）吻合良好，而一旦忽略二氧化碳，模型（黑色實線）就與觀測數(shù)據(jù)相差甚遠。

其它系外行星中（例如HD189733b、HAT-P-7b）也有探測到二氧化碳，但置信度都不高，而韋布這次觀測WASP-39b所探測到的二氧化碳的置信度高達26！難怪所有看到數(shù)據(jù)的業(yè)內人士都贊嘆不已，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！

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？如果寫一個觀測申請，聲稱要實現(xiàn)這么高置信度的探測，時間分配委員多半會建議減少觀測時間，達到5左右的置信度即可。這樣讓人驚嘆的成果，無疑讓業(yè)內人士對韋伯信心百倍。假設能保持如此高的置信度，韋布在第一年運行期將觀測76顆系外行星，整個任務期將觀測上百顆行星。這些觀測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？

這場盛宴不僅僅是技術上的突破，在系外行星大氣中明確探測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。

目前的理論認為，恒星形成于分子云坍縮，在此過程中會分子云因為旋轉而形成原行星盤，行星就誕生于原行星盤之中。因此可合理假設，行星與恒星的金屬豐度應該一樣。然而，事實并非如此。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，其中WASP-39b就是一個典型的例子。

在對比模型與觀測之后，天文學家們發(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，為什么會有10倍的差異呢？那些金屬哪去了？

讓我們先從太陽系內行星說起。系內行星大氣分為三類。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，而是內部火山活動或者外部彗星撞擊而產(chǎn)生的大氣。太陽系內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上因生物活動而有所改變的大氣，目前只有地球大氣屬于此類。

受觀測數(shù)據(jù)限制，我們對系外行星的了解肯定不如系內行星。對于只有氫和氦的濃厚的原生大氣，光譜信號弱且譜線少，觀測極為困難，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，才更容易被探測到。也就是說，我們采用天文方法用望遠鏡探測到的系外行星大氣絕大部分應該是次生大氣。這些次生大氣有可能是行星年輕時受到彗星、小行星撞擊而形成的，它們中大量的金屬（包括碳）會留在行星中。但也可能是因為高層大氣中的氫和氦受到恒星潮汐力、恒星紫外輻射等因素影響而逃逸，導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、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，是許多科學家口中全球升溫的罪魁禍首（注：筆者并不贊同）。但實際上，它更是地球生命誕生和發(fā)展的基石。所有生命，包括植物、動物、細菌、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。對于巖石類行星，也同樣如此，因為非生物過程也可以產(chǎn)生二氧化碳。但如果在大氣中同時探測到了甲烷和二氧化碳，說明很可能有生命存在，因為甲烷在氧化性大氣中很短的時標內就會被氧化，如果沒有大量產(chǎn)生甲烷的機制，大氣中便不應該存在甲烷。而甲烷的主要產(chǎn)生機制是生物過程。

一般認為，氧氣和臭氧是最明確可靠的生物信號，但前者信號很弱，后者也分布在遠紫外（0.25微米附近）或中紅外波段（10微米），因此探測非常困難，即使當代最強大的韋布也無法完成在類地行星中搜尋這些信號的重任。此次韋布在WASP-39b大氣中明確探測到二氧化碳，為人類研究系外生命提供了一個機會。重點利用NIRSPEC結合NIRISS觀測超級地球或者紅矮星周圍的類地行星，嘗試探測二氧化碳、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的信息和知識。

然而，探測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空間望遠鏡來完成。比如，美國十年規(guī)劃提出最早于2040年部署的6米紫外光學望遠鏡，以及我國提出的2035年代的天鄰計劃（大型紫外光學深空天文臺）。單鏡面可保證更好的成像質量、更好的星光抑制比，而紫外和光學波段則是探測臭氧、氧氣乃至葉綠素這些明確生命信號的最佳波段。

  • 結 語

總有人說二十一世紀是生命科學的世紀，事實也的確如此。近年來，地球上的生命科學發(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”也能在二十一世紀取得想韋布那樣劃時代的進步。

  • 作者簡介

王煒，國家天文臺項目研究員。2002年畢業(yè)于北京大學天文系，2007年在北京大學獲得理學博士學位，2008年赴德國馬普天文所開展博士后研究，2015-2021年任中國科學院南美天文中心副主任。研究領域是太陽系外行星，主要從事系外行星大氣的觀測和模型研究，目前負責推動天鄰計劃。

  • 參考文獻

[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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