韦伯的系外行星观测证明了其优势

华盛顿特区，2022年9月12日——美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）拍摄了系外行星或太阳系外行星的直接图像，以及系外行星大气中存在二氧化碳的第一个明确证据，这是两个开创性的第一个第一个突破性第一。使用强大的红外（IR）望远镜进行的观测提供了对行星物体的形成和组成的见解。更广泛地说，它们还显示了太空望远镜在地球轨道之外的优势。WASP-39 b是韦伯发现二氧化碳存在的系外行星。这颗行星本身是在2011年首次被发现的，当时地面天文台注意到行星主星的周期性变暗。当通过观察恒星来感知行星的存在时，这种检测方法被称为间接检测。“直接检测是当你真正可以拍摄某些东西的照片时，”亚利桑那大学杰出的天文学教授唐麦卡锡说。麦卡锡是该大学斯图尔特天文台的天文学家，他帮助设计了韦伯的近红外相机（NIRCam） - 该设备捕获了系外行星HIP 65426 b的第一张图像。

近红外热像仪 （NIRCam） 仪器在 3 μm（紫色）处的视图。仪器在 4.44 μm（蓝色）处的视图。中红外仪器 （MIRI） 的视图为 11.4 μm（黄色）。MIRI仪器的视图为15.5μm（红色）。 每个仪器内的一组面具，称为日冕仪，阻挡了主星的光线，以便可以看到这颗行星。主星HIP 65426的位置已经使用日冕仪和图像处理被减去（小白星）。NIRCam图像中的条形是望远镜光学元件的伪影，而不是场景中的物体。由美国宇航局/欧空局/加拿大安全局、卡特公司（UCSC）、ERS 1386团队和异教徒（SSCI）提供。

HIP 65426 b于2017年使用由欧洲南方天文台操作的智利甚大望远镜上的SPHERE仪器发现。与黄蜂病毒相反，直接检测到髋关节。SPHERE使用短红外波长拍摄图像，辅以过滤掉一些星光的日冕仪，以及行星与其主星的距离（比地球离太阳约100×）。直接探测对于地面望远镜来说是一项艰巨的任务。主星比绕它们运行的行星亮得多。例如，HIP在近红外中比其主星暗淡10，000×在中红外中比其主星暗淡几千倍。麦卡锡说，直接成像系外行星通常与在探照灯旁边成像萤火虫进行比较。除了亮度问题外，地球大气层也带来了问题。当光线通过大气进入大气层时，它会穿过空气，引起湍流，改变其波前。地面望远镜通过使用自适应光学来解决这个问题。激光，有时称为引导星，被指向大气中，允许测量和补偿湍流。“你可以让望远镜表现得好像在太空中一样，尽管大气层总是有一些残余效应，”麦卡锡说。

  亚利桑那州立大学天文学教授迈克尔·莱恩（Michael Line）也指出了天基观测的优势，并引用了大气层的影响。“我们有处理方法，可以帮助从地面观察时消除这些污染效应，但没有什么能打败原始的空间环境，”他说。“更具体地说，要观察大约3到5 μ米左右的红外波长是非常困难的。地球的大气层会产生红外光，这增加了噪音。大型望远镜可以降低这种噪音，Line说。尽管如此，空间仍然占据优势。

7月10日由韦伯的近红外光谱仪捕获的热气体巨行星WASP-39 b的透射光谱揭示了太阳系外行星上二氧化碳的第一个明确证据。这也是有史以来捕获的第一个详细的系外行星透射光谱，覆盖3至5.5μm之间的波长。由美国宇航局、欧空局、加拿大国家安全局和胡斯塔克（STScI）提供。

虽然哈勃太空望远镜（HST）位于地球大气层之外，但它绕地球运行的事实带来了其他挑战。“HST每90分钟绕地球运行一次，”莱恩说。“因此，对于给定的目标，如果你想观察它超过90分钟，当地球挡住你的路时，你的数据就会有差距。对于凌日行星，我们希望观察整个凌日事件（以及之前和之后的一点），这可能跨越几个小时或更长时间。这意味着我们必须应对数据中的这些差距。根据亚利桑那大学摄政王的天文学教授Marcia Rieke的说法，韦伯的NIRCam首席研究员，韦伯在系外行星观测方面的优势的一个主要方面在于它的定位。“观测系外行星凌日需要一个稳定的仪器，”她说。因为韦伯坐在地球轨道之外的地球-太阳L2，所以它有一个非常稳定的环境。背景红外噪声和大气扰动的缺乏也促进了韦伯在系外行星观测方面的实力。麦卡锡说：“你最好和詹姆斯·韦伯一起寻找系外行星，因为它的稳定性。它只是针对正确的波长进行了调谐。韦伯观察更长红外范围的能力使其特别适合观察系外行星。这些行星主要在红外范围内发射，麦卡锡说。“[韦伯]会看着它最亮的星球，因为它的自然温度。在红外范围内，从相对意义上讲，恒星看起来比在可见光范围内更暗淡。由于对比度增加，这使得Webb在成像方面具有优势。

   韦伯的红外范围远远超出了任何地面望远镜可以实际观测的范围。根据Line的说法，3至5μm以上的波长会给地面天文台带来问题。Rieke说：“[韦伯]可以观察到0.7至28μm的完整光谱，并且由于大气吸收或OH [羟基]气辉线而没有丢失波长。这种宽广的波长范围使望远镜能够研究广泛的分子物种。“我认为，特别令人兴奋的是，”麦卡锡说，“如果你观察这些过境行星之一，你会看到氧气，如臭氧，这是地球大气中的证据。从历史上看，人们一直说氧是如此具有反应性的分子，以至于某些东西必须产生它，就像某种生命一样。