韦伯拍摄距离超级木星最近的照片为系外行星研究打开新窗口

发布时间：2024-10-16 10:31:32 栏目：精选知识

导读 当我们意识到我们拍摄到了这颗新行星时，我们非常兴奋，德国海德堡马克斯普朗克天文研究所的研究员伊丽莎白马修斯说。她是发表在《自然》杂...

“当我们意识到我们拍摄到了这颗新行星时，我们非常兴奋”，德国海德堡马克斯普朗克天文研究所的研究员伊丽莎白马修斯说。她是发表在《自然》杂志上的基础研究文章的主要作者。“令我们惊讶的是，MIRI 图像中出现的亮点与我们预期的行星位置不符”，马修斯指出。“之前的研究正确地确定了该系统中的一颗行星，但低估了这颗超级木星气态巨行星的质量和轨道间隔”。在詹姆斯韦伯太空望远镜的帮助下，该团队得以澄清这一事实。



这次探测在多个方面都非常不寻常。它展示了 JWST 拍摄的第一颗系外行星，该行星此前从未在地面拍摄过，而且比 JWST 迄今为止研究过的气态行星要冷得多。“图像”意味着行星在图像上显示为一个亮点，因此是直接证据。凌日法和径向速度法是间接证据，因为行星只能通过其间接效应来揭示自己。

JWST 观测结果更新了之前的测量结果

这颗行星围绕着附近的三星系统 Epsilon Indi(简称 Eps Ind)的主要组成部分旋转。天文学标记惯例将 Eps Ind A 标记为该主恒星，这是一颗比太阳略小且温度更低的红矮星。为了构造行星的名称，在后面加上一个“b”，从而得到 Eps Ind Ab 的名称。

JWST 的新数据与超级木星相符，超级木星的质量是太阳系中木星的六倍。Eps Ind Ab 绕其主星运行，轨道偏心，呈椭圆形，与 Eps Ind A 的最远距离应在 20 到 40 个天文单位之间。一个天文单位是地球与太阳之间的平均距离，约为 1.5 亿公里。新值与早期研究结果大不相同，这就是该团队选择将其称为“新”行星的原因。

凉爽的行星，热门的科学

迄今为止，已知的围绕太阳时代恒星运行的冷气态巨行星只有少数，而且这些行星都是通过径向速度测量间接推断出来的。通过对行星进行成像和光谱测量，天文学家可以研究它们的大气层，并根据计算模型追踪行星系统的演化。研究完全稳定的行星系统中的行星有助于解决有关行星演化后期的未解之谜，并完善我们对行星形成和演化的一般理解。

最近的观测为发现更多此类冷气态巨行星铺平了道路。这将使天文学家能够研究一类新的系外行星，并将它们与太阳系气态巨行星进行比较。

如何探测冷气体行星

然而，使用传统的探测方法很难找到这些行星。远离主恒星的行星通常非常冷，不像热木星那样以仅几个恒星半径的间隔绕恒星运行。宽轨道极不可能沿着视线排列以产生凌日信号。此外，当只能监测轨道的一小部分时，用径向速度法测量它们的信号具有挑战性。

早期研究尝试使用径向速度测量来研究围绕 Eps Ind A 运行的巨行星。然而，推断轨道的一小部分会导致对该行星特性得出错误的结论。毕竟，Eps Ind Ab 需要大约 200 年才能绕其恒星运行。几年的观测不足以高精度地确定轨道。

因此，马修斯的团队想出了一种不同的方法。他们想用一种通常被称为直接成像的方法拍摄这颗已知行星的照片。由于系外行星的主恒星非常明亮，它们比附近的任何其他物体都更耀眼。普通相机会被耀眼的星光淹没。

为此，该团队采用了詹姆斯韦伯太空望远镜的 MIRI(中红外仪器)相机，该相机配备了日冕仪。这种遮光罩像人造日食一样覆盖着恒星。另一个优势是 Eps Ind 距离地球只有 12 光年。距离恒星越近，图像中两个物体之间的距离就越大，从而更有可能减轻主恒星的干扰。MIRI 是完美的选择，因为它在热波或中红外波段进行观测，而冷物体会发出明亮的光芒。

我们对 Eps Ind Ab 了解多少?

“我们在数据中发现了一个与预期系外行星不符的信号，”马修斯说。图像中的光点不在预测的位置。“但这颗行星仍然看起来像一颗巨行星，”马修斯补充道。然而，在做出这样的评估之前，天文学家必须排除信号来自与 Eps Ind A 无关的背景源的可能性。

“确定总是很难，但从数据来看，该信号不太可能来自河外背景源，”另一位 MPIA 科学家、该研究论文的合著者 Leindert Boogaard 解释道。事实上，在浏览天文数据库中对 Eps Ind 的其他观测结果时，该团队偶然发现了 2019 年使用欧洲南方天文台 (ESO) 甚大望远镜 (VLT) 上的 VISIR 红外摄像机获得的图像数据。在重新分析图像后，该团队在 JWST 拍摄的源属于恒星 Eps Ind A 时，恰好在它应该在的位置发现了一个暗淡的物体。

科学家们还试图根据现有的三种颜色的行星图像来了解这颗系外行星的大气层：两张来自 JWST/MIRI，一张来自 VLT/VISIR。Eps Ind Ab 在短波下比预期的要暗。这可能表明存在大量的重元素，特别是碳，碳构成了甲烷、二氧化碳和一氧化碳等分子，这些分子通常存在于气态巨行星中。或者，它可能表明这颗行星有云层大气层。然而，还需要做更多的工作才能得出最终结论。

计划与前景

这项工作只是表征 Eps Ind Ab 的第一步。MPIA 名誉主任、MIRI 仪器的联合 PI 以及本文的合著者 Thomas Henning 表示：“我们的下一个目标是获得能够为我们提供地球气候和化学成分详细指纹的光谱。”

“从长远来看，我们希望观察附近的其他行星系统，寻找可能未被发现的冷气态巨行星，”马修斯说。“这样的调查将成为更好地了解气态行星如何形成和演化的基础。”