据美国国家航空航天局（NASA）报道，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在700光年外WASP-39b行星的大气中发现了二氧化碳，这是第一次明确地在太阳系外的行星中发现这种气体。这一发现为了解这颗行星是如何形成的提供了线索，其结果还表明，韦伯可能很快就能识别出大量其他气体，有助于寻找适合生命居住的行星。

WASP-39b是什么？

WASP-39b发现于2011年，位于处女座，是一颗热气体巨星，质量大约是木星的四分之一，和土星差不多重，直径是木星的1.3倍。它的极度膨胀部分与它约900摄氏度的高温有关。与太阳系中更冷、更紧凑的气体巨星不同，WASP-39b的轨道离它的恒星非常近，大约只有太阳和水星之间距离的八分之一。在4个地球日多一点的时间内，WASP-39b就能完成一圈公转。

WASP-39b总是用相同的一面对着它的恒星。它的日侧温度高达776.7摄氏度，而强大的风从白天面输送热量，使黑夜面几乎同样热。此前，包括NASA的哈勃和斯皮策太空望远镜在内的其他望远镜的观测结果显示，WASP-39b的大气层中存在水蒸气、钠和钾。其中水含量是土星的三倍。而在2022年7月，它成为詹姆斯·韦伯太空望远镜研究的第一颗系外行星。

为什么韦伯望远镜研究团队将WASP-39b作为第一个观察对象？因为像它这样的凌日行星，可供观测的轨道是面朝上的，这为研究人员探测行星大气层提供了理想的机会。在凌日过程中，有些星光被行星完全遮蔽，导致整体变暗，而有些则通过行星的大气层传播。由于不同的气体吸收不同的颜色组合，研究人员可以通过分析透射光在不同波长光谱上的亮度差异来确定大气的确切组成成分。WASP-39b既有膨胀的大气，又有频繁的凌日现象，是透射光谱研究的理想目标。

关于二氧化碳的重大发现

韦伯望远镜对大部分被地球大气层阻挡的红外波长很敏感，能将宇宙中最遥远的恒星和星系带入天文学家的视野。对于研究银河系中其他恒星系统的科学家而言，韦伯望远镜的红外灵敏度至关重要。在此之前，还没有天文台在系外行星的透射光谱中测量过如此多的颜色在3到5.5微米范围内的亮度差异。获取这部分光谱对于测量诸如水、甲烷以及二氧化碳等气体的丰度至关重要，这些气体被认为存在于许多不同类型的系外行星中。

通过使用韦伯的近红外摄谱仪（NIRSpec）对WASP-39b进行观测，研究小组发现在这颗系外行星的大气光谱中，一个4.1到4.6微米的“小山丘”首次提供了清晰、详细的证据，证明在太阳系以外的行星上发现了二氧化碳。“数据一出现在我的屏幕上，巨大的二氧化碳特征就抓住了我。”约翰·霍普金斯大学的研究团队成员扎法尔·鲁斯坦库洛夫（Zafar Rustamkulov）提到，“这是一个特殊的时刻，跨越了系外行星科学的一个重要门槛。”

韦伯望远镜团队成员、芝加哥大学的雅格布·毕恩（Jacob Bean）表示，即使基于一次穿越恒星的原始数据，都能发现二氧化碳的光谱下降“就像一个疼痛的拇指一样显眼”。他补充道，以前曾有过一些对这种气体的初步探测，但没有一个经得起仔细审查，而韦伯的这次光谱“大小正确，形状正确，位置也正确”，“二氧化碳突然冒出来了”。24日，毕恩和他的同事在论文张贴在预印论文网站（preprint server arXiv）上报告了这一结果，这也将被发表在《自然》杂志上。

马克斯普朗克天文研究所（Max Planck Institute for Astronomy）的研究小组成员劳拉·克雷德伯格（Laura Kreidberg）提到，在接下来的几个月里，研究小组将公布这颗行星的从光学到中红外的全部光谱，并“对它的大气层进行完整的化学调查”。

未来发现外星生命的可能？

发现二氧化碳是有价值的，因为它可以展现一颗行星的“金属丰度”。宇宙大爆炸产生的氢和氦是宇宙中所有可见物质的起始物质，但任何较重的物质都是后来在恒星中形成的。研究人员认为，充足的重元素供应对创造巨型行星至关重要。当行星从围绕一颗新恒星的圆盘状物质中形成时，较重的元素形成固体颗粒和鹅卵石，这些颗粒和鹅卵石聚集在一起，形成一个固体核心，最终大到足以用自身引力吸引气体，并成长为一个气体巨星。

加州大学圣克鲁兹分校研究小组的负责人娜塔莉·巴塔利亚（Natalie Batalha）表示：“在WASP-39b上探测到如此清晰的二氧化碳信号，预示着将在较小的类地行星上探测到大气。了解一颗行星的大气层组成很重要，因为它能告诉我们行星的起源和演化过程。”该研究小组的另一名成员迈克·莱恩（Mike Line）提到：“二氧化碳分子是行星形成过程的敏感示踪剂，通过测量这一二氧化碳特征，我们可以确定有多少固体和多少气态物质形成了这颗气态巨行星。在未来的十年中，JWST将对各种行星进行这种测量，为深入了解行星如何形成和我们太阳系的独特性提供细节。”

根据WASP-39b上的二氧化碳信号，研究小组估计该行星的金属丰度与土星大致相同。更值得注意的是，WASP-39b的质量也与土星大致相同。毕恩强调，尽管这些行星的轨道非常不同，但它们有一些共同点，“我们能找到这两件物品的共同故事吗？我还不知道。”

苏德汉表示，有了韦伯望远镜，发现“重要的化学物质将成为常态，而不是例外”。他预测，当韦伯开始研究距离地球较近的、温度较低的行星时，将会有一些真正的惊喜——也许一些气体可以表明这些行星是否适合生命存在。

新闻来源：科学、NASA官网、Exoplants，部分图片来源于网络

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