詹姆斯韦伯太空望远镜探测到附近系外行星大气中的水蒸气二氧化硫和沙云

由鲁汶大学天文学研究所的研究人员共同领导的一个欧洲天文学家小组利用詹姆斯·韦伯太空望远镜最近的观测结果来研究附近系外行星 WASP-107b 的大气层。深入观察 WASP-107b 蓬松的大气层，他们不仅发现了水蒸气和二氧化硫，甚至还发现了硅酸盐沙云。这些颗粒存在于动态大气中，表现出剧烈的物质传输。

世界各地的天文学家正在利用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 上的中透视 仪器 (MIRI) 的先进功能，对系外行星(绕太阳以外的恒星运行的行星)进行突破性的观测。WASP-107b 就是这些迷人的世界之一，它是一颗独特的气态系外行星，绕着一颗比太阳温度稍低且质量较小的恒星运行。这颗行星的质量与海王星相似，但其尺寸却比海王星大得多，几乎接近木星的大小。与太阳系内的气态巨行星相比，这一特征使得 WASP-107b 相当“蓬松” 。这颗系外行星的蓬松度使天文学家能够对其大气层进行大约 50 倍的探索，比木星这样的太阳系巨行星所达到的探索深度还要深。

欧洲天文学家团队充分利用了这颗系外行星非凡的蓬松度，使他们能够深入观察其大气层。这个机会为解开其大气复杂的化学成分打开了一扇窗。这背后的原因非常简单：与更紧凑的大气相比，信号或光谱特征在密度较低的大气中更加突出。他们最近发表在《自然》杂志上的研究揭示了水蒸气、二氧化硫 (SO 2 ) 和硅酸盐云的存在，但值得注意的是，没有任何温室气体甲烷 (CH 4 ) 的痕迹。

充满活力的氛围

这些探测结果为了解这颗迷人的系外行星的动力学和化学提供了重要的见解。首先，甲烷的缺乏暗示着潜在的温暖内部，为了解地球大气中热能的运动提供了诱人的一瞥。其次，二氧化硫(以烧焦的火柴的气味而闻名)的发现是一个重大惊喜。之前的模型曾预测其不存在，但 WASP-107b大气层的新型气候模型现在表明，WASP-107b 的蓬松度足以适应其大气层中二氧化硫的形成。尽管其主恒星由于其较冷的性质而发射出相对较小部分的高能光子，但由于其蓬松的性质，这些光子可以深入到行星的大气层中。这使得产生二氧化硫所需的化学反应能够发生。

但这并不是他们观察到的全部。与无云情况下相比，二氧化硫和水蒸气的光谱特征都显着减弱。高空云层部分遮挡了大气中的水蒸气和二氧化硫。虽然其他系外行星上也有云的推断，但这标志着天文学家首次能够明确识别这些云的化学成分。在这种情况下，云由小的硅酸盐颗粒组成，这是一种人类熟悉的物质，在世界许多地方都被发现是沙子的主要成分。

“JWST 正在彻底改变系外行星的表征，以惊人的速度提供前所未有的见解，”第一作者、鲁汶大学的 Leen Decin 教授说。“JWST 的 MIRI 仪器在这颗蓬松的系外行星上发现了由沙子、水和二氧化硫组成的云，这是一个关键的里程碑。它重塑了我们对行星形成和演化的理解，为我们太阳系带来了新的认识。”

地球大气层中的水在低温下会结冰，而在温度达到 1000 摄氏度左右的气态行星中，硅酸盐颗粒会结冰形成云。然而，就 WASP-107b 而言，其外层大气温度约为 500 摄氏度，传统模型预测这些硅酸盐云应该在大气层深处形成，那里的温度要高得多。此外，大气层高处的沙云会下雨。那么这些沙云怎么可能存在于高海拔地区并持续存在呢?

主要作者 Michiel Min 博士表示：“事实上，我们在大气层高处看到这些沙云，这必定意味着沙雨滴在更深、非常热的层中蒸发，并且由此产生的硅酸盐蒸气有效地向上移动，在那里它们再次凝结形成硅酸盐云。这与我们地球上的水蒸气和云循环非常相似，但水滴是由沙子制成的。” 这种通过垂直传输的升华和凝结的连续循环是 WASP-107b 大气中沙云持久存在的原因。

这项开创性的研究不仅揭示了 WASP-107b 的奇异世界，而且突破了我们对系外行星大气的理解界限。它标志着系外行星探索的一个重要里程碑，揭示了这些遥远世界上化学物质和气候条件之间复杂的相互作用。

“ JWST 能够对太阳系中没有任何对应物的系外行星进行深入的大气表征，我们正在揭开新的世界!”首席作者、巴黎 CEA 的 Achrène Dyrek 博士说道。

MIRI仪器的设计与开发

得益于比利时联邦科学政策办公室 BELSPO 通过 ESA PRODEX 计划提供的资金，比利时工程师和科学家在 MIRI 仪器的设计和开发中发挥了关键作用，其中包括列日空间中心 (CSL)、泰雷兹阿莱尼亚空间公司(沙勒罗瓦) )和 OIP 传感器系统(Oudenaarde)。在鲁汶大学天文研究所，仪器科学家在英国、宇航局戈达德和宇航局约翰逊航天中心的实验室模拟太空环境的特殊测试室中对 MIRI 仪器进行了广泛的测试。

“近 20 年来，我们与欧洲和的同事一起构建和测试 MIRI 仪器。看到我们的仪器揭开这颗有趣的系外行星的大气层，真是令人欣慰。”鲁汶大学的仪器专家 Bart Vandenbussche 博士说道。

这项研究结合了 JWST 观测数据的多项独立分析结果，代表了多年来不仅投入在构建 MIRI 仪器上的工作，而且还投入在 MIRI 获取的观测数据的校准和分析工具上。”Jeroen Bouwman 博士说道德国马克斯·普朗克天文学研究所。

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