藝術(shù)家對WASP-107b及其母星的到附的水印象。鳴謝:uux.cn/插圖:比利時盧卡藝術(shù)學院/ Klaas Verpoest(視覺)，近系Johan Van Looveren(排版)。外行科學:Achrène Dyrek(法國CEA和巴黎城市大學)、氣中Michiel Min(荷蘭SRON)、蒸氣岳翎·德辛(比利時魯汶大學)/歐洲MIRI·EXO GTO小組/歐空局/美國國家航空航天局
（神秘的氧化地球uux.cn）據(jù)庫·魯汶：由魯汶大學天文研究所的研究人員共同領(lǐng)導的一個歐洲天文學家小組，利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡最近的硫和觀測結(jié)果，研究了附近系外行星WASP-107b的探測大氣。通過深入WASP-107b蓬松的到附的水大氣層，他們不僅發(fā)現(xiàn)了水蒸氣和二氧化硫，近系甚至還發(fā)現(xiàn)了硅酸鹽沙云。外行這些粒子存在于動態(tài)大氣中，氣中表現(xiàn)出物質(zhì)的蒸氣劇烈運動。
世界各地的氧化天文學家正在利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)上的中紅外儀器(MIRI)的先進功能，對系外行星進行突破性的觀測，系外行星是指圍繞除我們太陽以外的恒星運行的行星。這些迷人的世界之一是WASP-107b，這是一顆獨特的氣態(tài)系外行星，圍繞一顆比我們的太陽略冷、質(zhì)量略小的恒星運行。
這顆行星的質(zhì)量與海王星相似，但它的大小比海王星大得多，幾乎接近木星的大小。與我們太陽系中的氣態(tài)巨行星相比，這一特性使得WASP-107b顯得相當“蓬松”。這顆系外行星的松散性使天文學家能夠?qū)ζ浯髿鈱舆M行大約50倍于像木星這樣的太陽系巨行星的探測深度。
歐洲天文學家團隊充分利用了這顆系外行星非凡的松散性，使他們能夠深入觀察其大氣層。這個機會打開了一扇揭開其大氣復雜化學成分的窗戶。
這背后的原因很簡單:信號或光譜特征在密度較低的大氣中比在密度較高的大氣中更明顯。他們最近的研究現(xiàn)已發(fā)表在《自然》雜志上，揭示了水蒸氣、二氧化硫(SO2)和硅酸鹽云的存在，但值得注意的是，沒有溫室氣體甲烷(CH4)的痕跡。
活躍的氣氛
這些探測為這顆迷人的系外行星的動力學和化學提供了至關(guān)重要的見解。首先，甲烷的缺乏暗示著潛在的溫暖內(nèi)部，提供了一個誘人的窺視行星大氣中熱能運動的機會。其次，二氧化硫(因燃燒過的火柴的氣味而聞名)的發(fā)現(xiàn)是一個重大驚喜。
以前的模型預測它不存在，但WASP-107b大氣的新氣候模型現(xiàn)在顯示W(wǎng)ASP-107b的非常蓬松性適應了其大氣中二氧化硫的形成。盡管由于其較冷的性質(zhì)，其宿主恒星發(fā)射的高能光子相對較少，但由于其蓬松的性質(zhì)，這些光子可以深入到行星的大氣層中。這使得產(chǎn)生二氧化硫所需的化學反應能夠發(fā)生。
JWST上的中紅外儀器(MIRI)的低分辨率光譜儀(LRS)捕捉到了溫暖的海王星系外行星WASP-107b的透射光譜，揭示了該行星大氣中水蒸氣、二氧化硫和硅酸鹽(沙子)云的證據(jù)。鳴謝:uux.cn/Michiel Min /歐洲MIRI EXO GTO團隊/歐空局/美國國家航空航天局
但這還不是他們觀察到的全部。與無云情況相比，二氧化硫和水蒸氣的光譜特征明顯減弱。高空云層部分遮擋了大氣中的水蒸氣和二氧化硫。
雖然已經(jīng)在其他系外行星上推斷出了云，但這標志著天文學家首次能夠明確確定這些云的化學成分。在這種情況下，云由小硅酸鹽顆粒組成，這是一種人類熟悉的物質(zhì)，在世界許多地方都可以找到，是沙子的主要成分。
“JWST正在徹底改變系外行星的特征，以驚人的速度提供前所未有的見解，”主要作者，魯汶大學的岳翎·德辛教授說。“JWST的MIRI儀器在這顆蓬松的系外行星上發(fā)現(xiàn)了由沙子、水和二氧化硫組成的云，這是一個關(guān)鍵的里程碑。它重塑了我們對行星形成和演化的理解，為我們自己的太陽系提供了新的線索。”
與水在低溫下凍結(jié)的地球大氣層相反，在溫度達到1000攝氏度左右的氣態(tài)行星中，硅酸鹽顆粒可以凍結(jié)形成云。然而，在WASP-107b的情況下，外層大氣的溫度約為500攝氏度，傳統(tǒng)模型預測這些硅酸鹽云應該在大氣更深處形成，那里的溫度要高得多。此外，大氣中高高的沙云會下雨。那么這些沙云怎么可能存在于高海拔地區(qū)并持續(xù)存在呢？
一組歐洲天文學家深入WASP-107b蓬松的大氣層，不僅發(fā)現(xiàn)了水蒸氣和二氧化硫，甚至還發(fā)現(xiàn)了硅酸鹽沙云。鳴謝:uux.cn/插圖:比利時盧卡藝術(shù)學院/ Klaas Verpoest(視覺)，Johan Van Looveren(排版)。科學:Achrène Dyrek(法國CEA和巴黎城市大學)、Michiel Min(荷蘭SRON)、岳翎·德辛(比利時魯汶大學)/歐洲MIRI·EXO GTO小組/歐空局/美國國家航空航天局
根據(jù)主要作者Michiel Min博士的說法，“我們在高空大氣中看到這些沙云的事實必然意味著沙雨滴在更深、更熱的層中蒸發(fā)，由此產(chǎn)生的硅酸鹽蒸汽有效地向上移動，在那里它們再次凝結(jié)形成硅酸鹽云。這與我們地球上的水蒸氣和云的循環(huán)非常相似，但水滴是由沙子組成的。”
這種通過垂直傳輸?shù)纳A和冷凝的連續(xù)循環(huán)是WASP-107b大氣中沙云持久存在的原因。
這項開創(chuàng)性的研究不僅揭示了WASP-107b的奇異世界，還拓展了我們對系外行星大氣的理解。它標志著系外行星探索中的一個重要里程碑，揭示了這些遙遠世界中化學物質(zhì)和氣候條件的復雜相互作用。
“JWST能夠?qū)μ栂抵袥]有對應行星的系外行星進行深層大氣表征，我們正在揭開新的世界，”CEA Paris的主要作者Achrène Dyrek博士說。
MIRI儀器的設計與開發(fā)
比利時工程師和科學家在MIRI儀器的設計和開發(fā)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，包括CSL的列日空間中心、Thales Alenia Space (Charleroi)和OIP傳感器系統(tǒng)(Oudenaarde)。在魯汶大學天文學研究所，儀器科學家在模擬英國美國國家航空航天局·戈達德和美國國家航空航天局·約翰遜航天中心實驗室空間環(huán)境的特殊試驗箱中廣泛測試了MIRI儀器。
“近20年來，我們一直在與歐洲和美國的同事一起建造和測試MIRI儀器。“很高興看到我們的儀器揭示了這顆迷人的系外行星的大氣層，”魯汶大學的儀器專家巴特·范登布舍博士說。
德國馬普學會für天文研究所的Jeroen Bouwman博士說:“這項研究綜合了JWST觀測的幾項獨立分析的結(jié)果，不僅代表了多年來在建造MIRI儀器方面投入的工作，也代表了在為MIRI獲得的觀測數(shù)據(jù)校準和分析工具方面投入的工作。
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