系外行星WASP-107b及其母恒星的艺术概念。尽管温度相当低的主星只发射出相对较少的高能光子，但它们可以深入到行星蓬松的大气层中。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
JWST的MIRI观测到WASP-107b大气中的水蒸气、二氧化硫和沙云。
由MPIA研究人员共同领导的一组欧洲天文学家利用詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)最近的观测结果研究了附近系外行星WASP-107b的大气。通过深入观察其蓬松的大气，他们发现了水蒸气、二氧化硫，甚至硅酸盐砂云。这些粒子存在于动态大气中，表现出剧烈的物质传输。
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。这颗行星的质量与海王星相似，但它的大小要大得多，几乎接近木星的大小。与太阳系内的气态巨行星相比，这一特性使得WASP-107b相当“蓬松”。它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。
韦伯的中红外仪器揭示了其中的化学成分
欧洲天文学家团队利用詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)上的中红外仪器(MIRI)对这颗系外行星进行了观察，充分利用了这颗行星非凡的蓬松性。这个机会打开了一扇窗户，让我们可以深入了解它的大气层，揭开它复杂的化学成分。这背后的原因相对简单: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传输。其次，二氧化硫(以燃烧火柴的气味而闻名)的发现是一个重大的惊喜。先前的计算预测了它的存在，但WASP-107b大气的新气候模型现在表明，它蓬松的性质适合二氧化硫的形成。尽管它那相当冷的主星发出的高能光子相对较少，但它们可以深入到行星的大气层中。这种环境使产生二氧化硫所需的化学反应成为可能。
JWST上搭载的中红外仪器(MIRI)的低分辨率光谱仪(LRS)捕捉到了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。天文学家首先测量系外行星未凌日时恒星发出的光。这是基线星光。当这颗系外行星穿过它的主星时，它会部分阻挡恒星的光线。与此同时，一些星光穿过系外行星的大气层。MIRI记录了行星在凌日过程中的总光(星光加上穿过大气层的星光)。对于每个波长，科学家们通过从凌日期间测量的总光中减去基线星光，计算出被行星及其大气层阻挡的星光量(白色圆圈)。光谱的波长在4.61到11.83微米之间。这些数据与哈勃望远镜的数据相辅相成，范围从1.1到1.7微米。橙色实线是最适合JWST和哈勃数据的模型。阴影区域表示水蒸气(红色)、二氧化硫(蓝色)和沙云(黄色)对最佳拟合模型的贡献。图片来源:michael Min /欧洲MIRI EXO GTO团队/ ESA / NASA
WASP-107b的天气预报预测了沙云
但这并不是他们发现的全部。二氧化硫和水蒸气的光谱特征与它们在无云的情况下相比明显减弱。高空云层部分遮蔽了大气中的水蒸气和二氧化硫。虽然通过间接手段已经在其他系外行星上推断出由不同物质组成的云，但这标志着天文学家第一次能够明确地确定它们的化学成分。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常见物质，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。”
来自德国海德堡马克斯普朗克天文研究所(MPIA)的合著者Paul molli
同意:“JWST的价值不能被夸大:无论我们用这台望远镜往哪里看，我们总能看到一些新的和意想不到的东西。最新的结果也不例外。”
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。
一个奇特的大气循环的硅酸盐滴plets
地球大气中水在低温下结冰，与之相反，在温度达到1000摄氏度左右的气态行星中，硅酸盐颗粒可以冻结形成云。然而，在WASP-107b的情况下，外层大气温度高达约500摄氏度，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，高空的沙云会向低层降雨。那么，这些沙云怎么可能存在于高海拔地区并持续存在呢?
“我们在大气中看到这些沙云的事实一定意味着沙雨滴在更深、更热的层中蒸发。由此产生的硅酸盐蒸汽被有效地提升了，”来自SRON(荷兰空间研究所)的主要作者米歇尔·敏解释说。“在这里，它们再次凝结形成硅酸盐云。这类似于地球上的水蒸气和云循环，但有沙滴。”这种通过垂直传输的升华和凝结的连续循环是WASP-107b大气中持续存在沙云的原因。
这项开创性的研究揭示了WASP-107b的奇异世界，并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。
詹姆斯·韦伯太空望远镜艺术家的构想。来源:NASA-GSFC, Adriana M. Gutierrez (CI实验室)
JWST和MIRI是探索系外行星大气的强大工具
“MPIA很自豪能够为MIRI提供关键元素，”mii联合pi兼MPIA董事Thomas Henning说。“其中包括MIRI光度计和光谱仪的过滤轮，以及定位波长选择元件的机制，这些元件产生含有化学特征的光谱。”MPIA的工作人员也支持MIRI的地面和飞行测试。
“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，”仪器专家、米里联合负责人、鲁汶大学的巴特·范登布舍说。
MPIA科学家和观测项目的联合负责人Jeroen Bouwman补充说:“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。”
有关这一发现的更多信息，请参见韦伯探测到附近系外行星上的水蒸气、二氧化硫和沙云。
参考:“在温暖的海王星中探测到SO2、sio2云团，但没有CH4”作者:achr
ne Dyrek、michael Min、Leen Decin、Jeroen Bouwman、Nicolas Crouzet、Paul molli
re、Pierre-Olivier Lagage、Thomas Konings、Pascal Tremblin、Manuel g
del、John Pye、Rens Waters、Thomas Henning、Bart Vandenbussche、Francisco Ardevol Martinez、Ioannis Argyriou、Elsa Ducrot、Linus Heinke、Gwenael Van Looveren、Olivier Absil、David Barrado、Pierre Baudoz、Anthony Boccaletti、Christophe Cossou、Alain Coulais、Billy Edwards，ren
Gastaud, Alistair Glasse, Adrian Glauser, Thomas P. Greene, Sarah Kendrew, Oliver Krause, Fred Lahuis, Michael Mueller, Goran Olofsson, Polychronis Patapis, Daniel Rouan, Pierre Royer, Silvia Scheithauer, Ingo Waldmann, Niall Whiteford, Luis Colina, Ewine F. van Dishoeck, G?ran Ostlin, Tom P. Ray和Gillian Wright, 2023年11月15日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06849 - 0
背景信息
这些观测结果是作为1280保证时间观测计划的一部分获得的。
JWST是世界上首屈一指的空间科学天文台。它正在解开我们太阳系的谜团，寻找其他恒星周围遥远的世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是由美国宇航局及其合作伙伴ESA(欧洲航天局)和CSA(加拿大航天局)领导的国际项目。
JWST的中红外仪器(MIRI)是由一个欧洲研究机构联盟建造的，是一个多用途的红外波长在5到28微米之间的科学仪器。它结合了成像照相机和摄谱仪。在工业合作伙伴的支持下，MPIA提供了所有波长范围控制元件的机制，如滤波器和光栅轮，并领导了MIRI的电气设计。
欧洲联盟由来自12个国家29个研究机构的46名天文学家组成。MPIA团队由Jeroen Bouwman、Paul molli
re、Thomas Henning、Oliver Krause和Silvia Scheithauer组成。
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