艺术家对WASP-107b及其母星的印象。图片来源:LUCA艺术学院，比利时/ Klaas Verpoest(视觉)，Johan Van Looveren(排版)。科学:achrrene Dyrek (CEA和法国巴黎城市大学)，michel Min (SRON，荷兰)，Leen Decin (KU Leuven，比利时)/欧洲MIRI EXO GTO团队/ ESA / NASA
一组宇航员科学家们利用詹姆斯·韦伯太空望远镜最近的观测结果，研究了附近系外行星WASP-107b的大气。深入观察WASP-107b蓬松的大气，他们发现不是零只有水蒸气和二氧化硫，甚至还有硅酸盐沙云。这些粒子存在于动态大气中，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)上的中红外仪器(MIRI)的先进功能，对系外行星进行开创性的观测。系外行星是指围绕太阳以外的恒星运行的行星。其中一个迷人的世界是WASP-107 b，这是一颗独特的气态系外行星，它围绕着一颗比我们的太阳稍冷、质量更小的恒星运行，这是由一组欧洲天文学家观察到的，他们是由鲁汶大学天文学研究所的研究人员共同领导的。
这颗行星的质量与海王星相似，但它的大小比海王星大得多，几乎接近木星的大小。与我们太阳系内的气体巨行星相比，这一特征使得WASP-107b相当“蓬松”。这颗系外行星的蓬松性使天文学家能够观测到其大气层的深度大约是对木星等太阳系巨行星探测深度的50倍。
WASP-107b是一颗独特的气态系外行星，它围绕着一颗比太阳稍冷、质量稍小的恒星运行。
深度大气分析
欧洲天文学家团队充分利用了这颗系外行星非凡的蓬松性，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。这背后的原因很简单:在密度较低的大气中，信号或光谱特征要比在密度较低的大气中明显得多。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(SO2)和硅酸盐云的存在，但值得注意的是，没有温室气体甲烷(CH4)的痕迹。
这些探测为了解这颗迷人的系外行星的动力学和化学特性提供了至关重要的见解。首先，甲烷的缺失暗示了一个潜在的温暖的内部，提供了一个诱人的一瞥热能在行星大气中的运动。其次，二氧化硫(以燃烧火柴的气味而闻名)的发现是一个重大惊喜。以前的模型预测了它的存在，但WASP-107b大气的新气候模型现在表明，WASP-107b的非常蓬松的大气适合二氧化硫在其大气中形成。尽管它的宿主恒星由于其较冷的性质而发射出相对较少的高能光子，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得以发生。
由JWST上的中红外仪器(MIRI)的低分辨率光谱仪(LRS)捕获的温暖的海王星系外行星WASP-107b的透射光谱揭示了行星大气中存在水蒸气，二氧化硫和硅酸盐(沙)云的证据。图片来源:michael Min /欧洲MIRI EXO GTO团队/ ESA / NASA
云的组成和动态
但这并不是他们观察到的全部。与无云的情况相比，二氧化硫和水蒸气的光谱特征都明显减弱。高空云层部分遮蔽了大气中的水蒸气和二氧化硫。虽然在其他系外行星上已经推断出了云，但这标志着天文学家第一次能够明确地确定这些云的化学成分。在这种情况下，云由微小的硅酸盐颗粒组成，这是一种在世界许多地方发现的人类熟悉的物质，是沙子的主要成分。
“JWST正在彻底改变系外行星的特征，以惊人的速度提供前所未有的见解，”鲁汶大学的首席作者Leen Decin教授说。“JWST的MIRI仪器在这颗蓬松的系外行星上发现了沙子、水和二氧化硫云，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，为我们自己的太阳系提供了新的视角。”
一组欧洲天文学家深入观察WASP-107 b蓬松的大气层，不仅发现了水蒸气和二氧化硫，甚至还发现了硅酸盐砂云。图片来源:LUCA艺术学院，比利时/ Klaas Verpoest(视觉)，Johan Van Looveren(排版)。科学:achrrene Dyrek (CEA和法国巴黎城市大学)，michel Min (SRON，荷兰)，Leen Decin (KU Leuven，比利时)/欧洲MIRI EXO GTO团队/ ESA / NASA
温度与云的形成
在地球大气层中，水在低温下结冰，而在温度达到1000摄氏度(1800华氏度)左右的气态行星上，硅酸盐颗粒可以冻结形成云。然而，在WASP-107 b的情况下，外层大气的温度约为500摄氏度(~900华氏度)，传统模型预测这些硅酸盐云应该在大气深处形成，那里的温度要高得多。此外，高空的沙云会下雨。那么，这些沙云怎么可能存在于高海拔地区并持续存在呢?
该研究的主要作者米歇尔·敏博士说:“我们在大气中看到这些沙云，这一事实一定意味着沙雨滴在更深处、更热的层中蒸发，由此产生的硅酸盐蒸汽被有效地移回上层，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，只不过是由沙子构成的水滴。”这种通过垂直传输的升华和凝结的连续循环是WASP-107 b大气中持续存在沙云的原因。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的设计目的是研究系外行星的大气，并确定这些行星是否适合居住或含有生物特征。来源:诺斯罗普·格鲁曼公司
系外行星研究进展
这项开创性的研究不仅揭示了WASP-107b的奇异世界，而且推动了我们对系外行星大气理解的界限。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的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achr<e:1> Dyrek博士说。
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通过欧空局PRODEX计划提供的资金，比利时工程师和科学家在mii仪器的设计和开发中发挥了关键作用，包括列日空间中心(CSL)、泰利斯阿莱尼亚空间公司(Charleroi)和OIP传感器系统公司(Oudenaarde)。在鲁汶大学天文研究所，仪器科学家在模拟英国实验室、美国宇航局戈达德和美国宇航局约翰逊航天中心的空间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，我们一直在与欧洲和美国的同事一起建造和测试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是值得的，”鲁汶大学的仪器专家巴特·范登布舍博士说。
这项研究结合了对JWST观测的几项独立分析的结果，代表了多年来的工作投入，不仅是在建造MIRI仪器方面，而且是在为MIRI获得的观测数据进行校准和分析工具方面，”德国马克斯-普朗克研究所
参考文献:“用JWST MIRI在温暖的海王星上探测到SO2、硅酸盐云，但没有探测到CH4”，2024年11月15日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06849 - 0
资助:鲁汶大学，Marie sklodowska -居里行动
更多的信息
这些观测是1280年保证时间观测计划的一部分。詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系的谜团，放眼其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是一个国际化的人 美国国家航空航天局(NASA)及其合作伙伴欧洲航天局(ESA)和加拿大航天局(Canadian Space Agency)共同领导了这一项目。欧洲公司 Nsortium team co 由46个天体组成 来自12个国家29个研究机构的提名者。来自鲁汶大学的团队成员包括Leen Decin, Thomas Konings, Bart Vandenbussche, Ioannis Argyriou和Linus Heinke。 分享 推特 REDDIT 电子邮件 分享更多关于sciitechdaily
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