韋伯太空望遠鏡  揭開未知世界化學秘密

於1995年發現第一顆非沿著太陽運行的恆星後，人們發現宇宙的世界比我們想像的更多樣化。如此遼闊的宇宙、星系群、讓我們了解不同行星於不同環境的適應方式，而研究這些星球的大氣層是了解它們的重要拼圖。

NASA在2021聖誕節推出的James Webb Space Telescope是世界上最大的天文望遠鏡，有助於我們了解這個世界。作者與其同事第一次利用望遠鏡揭示系外行星的化學構成。這些數據以先行本的形式發行(意旨尚未公開發行)，顯示出一些驚人的結果。

有些系外行星與其母星過於靠近以至於最好的望遠鏡也無法區分它們。但我們可以利用行星行經其恆星前的技巧(凌日)，過程中，行星會阻擋部分光線，甚至更小部分光線會被行星的大氣外層所過濾。

大氣中的氣體吸收了光線，透過降低某些顏色或波長的亮度在星光上留下痕跡。JWST特別適合系外行星大氣研究，因為它是紅外望遠鏡。而大氣中多數氣體(水和二氧化碳)吸收紅外線而非可見光。

作者是國際系外行星科學團隊的一員，該團隊一直利用JSTW研究一顆與木星差不多大小的行星—WASP-39b。與木星不同的是，這顆行星的公轉週期只為期數天，因此它的溫度高達攝氏827度。這給我們一個觀察行星大氣層在極限溫度中狀態的機會。

作者用JWST還原了這個迷人星球至今最完整的光譜。事實上這份工作代表了其大氣層的第一份化學列表。作者已經推測出這行星大氣層的主要組成必須是氫氦混合物—宇宙中最輕與最豐富的氣體。哈伯望遠鏡此前曾在那探測到水蒸氣、鈉和鉀。現在已經能夠確認作者的檢測結果病測量水蒸氣含量。數據還表明其他如二氧化碳、一氧化碳、以及出乎意料的二氧化硫等氣體。

測量這些氣體的含量意味著我們能估算構成這些氣體的元素的相對含量。行星會在一顆年輕恆星周圍塵土與氣體中形成，與恆星的不同距離將影響嬰兒行星的元素組成。

WASP-39b的碳含量相對低於氧含量，表示它可能形成於離恆星更遠的地方。相較於距離恆星更近的行星，它更容易從圓盤中吸收水氣以增加氧氣量。若這顆行星已經遷移，它能支持我們關於行星形成的理論和太陽系中的巨行星在早期也進行了許多移動和搖晃的觀點。

硫磺鑰匙

WASP-39b中檢測到相對於氧氣的硫含量相當高。作者推測年輕行星中的硫更多集中於岩層中，而非大氣。因此這表示星球中含硫岩石可能發生了不尋常碰撞使其中的硫以氣體形式釋放出來。

行星的大氣層中，不同的化學物質會因溫度不同，以不同速率相互反應。通常，隨著反應相互平衡，每種氣體總量保持穩定最終達到平衡狀態。作者試圖預測於WASP-39b大氣層中的氣體，但沒有人想到二氧化硫的出現，而是期望硫元素被鎖定在另一種氣體硫化氫中。

化學反應過程中缺失的拼圖被稱為光化學。這種狀況下，某些化學反應受到恆星的光子所驅動而非大氣溫度。由於WASP-39b非常熱，而反應於高溫下通常較快速，導致光化學比預期中來得重要。

數據顯示，光將大氣中水蒸氣分解成氧氣與氫氣，這些產物則會與硫化氫反應最終形成二氧化硫。

JSWT的下一步

光化學在適宜居住的星球上更為重要，地球上的臭氧層便是利用光化學形成的。JWST將在運行第一年觀測Trappist-1系統中的岩石世界。其中一些測量已經出爐，這些行星都擁有與地球相似的溫度。有些甚至具有更合適的溫度，使地表存在液態水甚或生命體。充分理解光化學與大氣成分的關係對於解釋Trappist-1系統中的觀測結果十分重要，因大氣中的化學失衡可能暗示生命的存在，因此我們需要了解其他可能的解釋。

WASP-39b向我們展示了JWST的強大之處，我們正處於系外行星科學一個非常激勵人心的時代開端!（編譯／高晟鈞)

資料來源: https://phys.org/news/2022-11-james-webb-space-telescope-uncovers.html

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