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WASP-107b：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡破解膨脹系外行星案例

美國(guó)

據(jù)美國(guó)宇航局：為什么溫暖的氣體巨行星WASP-107b如此膨脹？?jī)蓚€(gè)獨(dú)立的研究小組得出了答案 。
使用美國(guó)國(guó)家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)，再加上美國(guó)國(guó)家航空宇航局哈勃太空望遠(yuǎn)鏡先前的觀測(cè)結(jié)果，顯示該行星大氣層中甲烷（CH4）少得驚人，這表明WASP-107 b的內(nèi)部一定比之前估計(jì)的要熱得多，核心的質(zhì)量也比以前估計(jì)的要大得多 。
這種出乎意料的高溫被認(rèn)為是由該行星略微非圓形的軌道引起的潮汐加熱的結(jié)果，可以解釋W(xué)ASP-107 b是如何在不訴諸極端理論的情況下膨脹的 。
韋伯非凡的靈敏度和測(cè)量穿過(guò)系外行星大氣層的光的能力使這一結(jié)果成為可能，這可能解釋了數(shù)十顆低密度系外行星的膨脹 ， 有助于解開(kāi)系外行星科學(xué)中一個(gè)長(zhǎng)期存在的謎團(tuán) 。

WASP-107b：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡破解膨脹系外行星案例


根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡最近收集的數(shù)據(jù)，以及美國(guó)國(guó)家航空宇航局哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和其他天文臺(tái)之前的觀測(cè)結(jié)果，這位藝術(shù)家的概念展示了溫暖的海王星系外行星WASP-107 b的樣子 。哈勃的WFC3（寬視場(chǎng)相機(jī)3）、韋伯的NIRCam（近紅外相機(jī)）、韋伯的NIRSpec（近紅外光譜儀）和韋伯的MIRI（中紅外儀器）捕捉到的觀測(cè)結(jié)果表明，這顆行星有一個(gè)相對(duì)較大的核心 ， 周?chē)h(huán)繞著相對(duì)較小質(zhì)量的氫氣和氦氣，由于內(nèi)部的潮汐加熱，氫氣和氦氣已經(jīng)膨脹 。來(lái)源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）
WASP-107 b的問(wèn)題
“暖海王星”系外行星WASP-107 b的體積超過(guò)木星的四分之三 ， 但質(zhì)量不到木星的十分之一，是已知密度最小的行星之一 。雖然膨脹的行星并不罕見(jiàn)，但大多數(shù)都更熱、質(zhì)量更大 ， 因此更容易解釋 。
亞利桑那州立大學(xué)（ASU）的路易斯·韋爾班克斯（Luis Welbanks）是今天發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文的主要作者，他解釋道：“根據(jù)其半徑、質(zhì)量、年齡和假設(shè)的內(nèi)部溫度，我們認(rèn)為WASP-107 b有一個(gè)非常小的巖石核心，周?chē)h(huán)繞著大量的氫和氦 。” 。“但很難理解這樣一個(gè)小的核心是如何吸收如此多的氣體，然后無(wú)法完全成長(zhǎng)為木星質(zhì)量的行星的 。”
如果WASP-107 b的核心有更多的質(zhì)量，那么隨著行星形成后的時(shí)間推移，大氣應(yīng)該會(huì)隨著冷卻而收縮 。如果沒(méi)有熱源使氣體重新膨脹，地球應(yīng)該會(huì)小得多 。盡管WASP-107 b的軌道距離只有500萬(wàn)英里（水星和太陽(yáng)之間距離的七分之一） ， 但它從恒星獲得的能量不足，無(wú)法膨脹 。
約翰斯·霍普金斯大學(xué)的David Sing說(shuō)：“WASP-107 b對(duì)韋伯來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常有趣的目標(biāo)，因?yàn)樗任覀円恢痹谘芯康脑S多其他低密度行星，即熱木星，溫度要低得多，質(zhì)量也更像海王星 。” 。“因此，我們應(yīng)該能夠探測(cè)到甲烷和其他分子 ， 這些分子可以為我們提供有關(guān)其化學(xué)和內(nèi)部動(dòng)力學(xué)的信息，而這些信息是我們從更熱的星球上無(wú)法獲得的 。”
大量以前無(wú)法檢測(cè)到的分子
WASP-107 b的巨大半徑、擴(kuò)展的大氣層和軌道邊緣使其成為透射光譜的理想選擇，透射光譜是一種根據(jù)它們對(duì)星光的影響來(lái)識(shí)別系外行星大氣層中各種氣體的方法 。
結(jié)合韋伯的NIRCam（近紅外相機(jī)）、韋伯的MIRI（中紅外儀器）和哈勃的WFC3（寬視場(chǎng)相機(jī)3）的觀測(cè)結(jié)果，韋爾班克斯的團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建出被WASP-107 b大氣層吸收的0.8至12.2微米的寬光譜 。Sing的團(tuán)隊(duì)使用Webb的NIRSpec（近紅外光譜儀）建立了一個(gè)覆蓋2.7至5.2微米的獨(dú)立光譜 。
數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性不僅可以檢測(cè)，而且可以實(shí)際測(cè)量大量分子的豐度，包括水蒸氣（H2O）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和氨（NH3） 。

WASP-107b：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡破解膨脹系外行星案例


這張透射光譜是用美國(guó)國(guó)家航空航天局的哈勃和詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的，顯示了氣態(tài)巨系外行星WASP-107 b大氣層阻擋的不同波長(zhǎng)（顏色）的星光量 。該光譜包括使用總共三種不同儀器在四次獨(dú)立觀測(cè)中收集的光：哈勃的WFC3（寬視場(chǎng)相機(jī)3）Grism光譜儀為綠色，韋伯的NIRCam（近紅外相機(jī)）Grism分光儀為橙色，韋伯的MIRI（中紅外儀器）低分辨率分光儀為粉紅色 。這一光譜顯示了地球大氣層中存在水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）和氨（NH4）的明確證據(jù) ， 使研究人員能夠估計(jì)核心的內(nèi)部溫度和質(zhì)量 。插圖：美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐空局、加拿大航天局、Ralf Crawford（STScI）科學(xué)：L.Welbanks（ASU）和JWST MANATEE團(tuán)隊(duì)

WASP-107b：韋伯太空望遠(yuǎn)鏡破解膨脹系外行星案例


這張透射光譜是使用韋伯的NIRSpec（近紅外光譜儀）明亮物體光譜儀拍攝的，顯示了被氣態(tài)巨系外行星WASP-107 b大氣層阻擋的不同波長(zhǎng)（顏色）的近紅外星光的數(shù)量 。該光譜顯示了行星大氣層中存在水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）和二氧化硫（SO2）的明確證據(jù) ， 使研究人員能夠估計(jì)內(nèi)部溫度和核心質(zhì)量 。插圖：美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐空局、加拿大航天局、拉爾夫·克勞福德（STScI）科學(xué)：D.Sing（JHU）和NIRSpec GTO凌日系外行星團(tuán)隊(duì)
沸騰氣體、內(nèi)部高溫和塊狀堆芯
這兩個(gè)光譜都顯示出WASP-107 b大氣中甲烷的驚人缺乏：是基于其假設(shè)溫度的預(yù)期量的千分之一 。
Sing解釋道：“這證明了來(lái)自行星深處的熱氣一定與更高的較冷層劇烈混合 。” 。“甲烷在高溫下是不穩(wěn)定的 。盡管我們確實(shí)檢測(cè)到了其他含碳分子，但我們檢測(cè)到的如此之少，這一事實(shí)告訴我們，地球內(nèi)部一定比我們想象的要熱得多 。”
WASP-107 b額外內(nèi)能的一個(gè)可能來(lái)源是其略微橢圓的軌道引起的潮汐加熱 。隨著恒星和行星之間的距離在5.7天的軌道上不斷變化，引力也在變化，拉伸行星并使其升溫 。
研究人員此前曾提出，潮汐加熱可能是WASP-107 b浮腫的原因 ， 但在韋伯研究結(jié)果出來(lái)之前，還沒(méi)有證據(jù) 。
一旦他們確定這顆行星有足夠的內(nèi)部熱量來(lái)徹底攪亂大氣層 ， 研究小組就意識(shí)到，光譜也可以提供一種新的方法來(lái)估計(jì)核心的大小 。
JHU的Daniel Thorngren解釋道：“如果我們知道行星中有多少能量，知道行星中碳、氮、氧和硫等較重元素的比例 ， 以及氫和氦的比例，我們就可以計(jì)算出核心必須有多少質(zhì)量 。” 。
事實(shí)證明，核心的質(zhì)量至少是最初估計(jì)的兩倍，這對(duì)行星的形成方式更有意義 。
總之，WASP-107 b并不像它曾經(jīng)出現(xiàn)的那樣神秘 。
ASU的Mike Line解釋道：“Webb數(shù)據(jù)告訴我們，像WASP-107 b這樣的行星不必以某種奇怪的方式形成超小的核心和巨大的氣體外殼 。” 。“相反，我們可以采取更像海王星的東西，有很多巖石，沒(méi)有那么多氣體，只需調(diào)高溫度，然后把它調(diào)高，看起來(lái)像這樣 。”
詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是世界上首屈一指的空間科學(xué)天文臺(tái) 。韋伯正在解開(kāi)我們太陽(yáng)系中的謎團(tuán)，展望其他恒星周?chē)倪b遠(yuǎn)世界，探索我們宇宙的神秘結(jié)構(gòu)和起源以及我們?cè)谄渲械奈恢?。韋伯是由美國(guó)國(guó)家航空航天局及其合作伙伴歐空局和加拿大航天局領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際項(xiàng)目 。