文章来源：赛先生
作者：王炜
太阳系内的巨行星大气中的主要成分是氢和氦，它们也是宇宙中丰度最高的两种元素。但在地球上，它们大约只能用来做氢弹和轻气球（笑），颇为无聊。要是有二氧化碳就好了，至少可以制作可乐，更何况它还是生命的基石和探针。让我们来看看最强天空之眼——韦布空间望远镜在寻找行星上的二氧化碳的过程中带给了我们哪些惊喜！
撰文 | 王炜（中国科学院国家天文台）责编 | 王馨心、吕浩然要说当今天文学界最耀眼的网红流量大咖，那必是距离地球150万公里、身处低温干燥阴暗孤独的直播间的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，以下简称韦布或JWST）。韦布利用其巨大而拉风的镀金镜面和高科技满满的镜头，不间断地直播着宇宙中神秘而有趣的天体。它的首次公开直播是2022年7月11，主播当天发布了首批公开图片及光谱，瞬间震惊了天文圈，燃爆了吃瓜圈，获得无数点赞和粉丝。这些美图从多个方面展示了韦布划时代的能力，其性能提升远超于每一代新iPhone手机所吹嘘的各种技术革命。
韦布原本只是在天文圈内部惹人关注和揪心，尤其对于指着它安身立命、养家糊口的年轻学者和学生们。韦布最初的方案于1996年提出，主镜口径八米，预算仅仅10亿美元，预计2007年发射。那时候它还叫“下一代空间望远镜（Next Generation Space Telescope）”， 是哈勃空间望远镜的继任者，只是更偏向于红外和高红移研究。然而，因为种种原因，到了2008年其初步设计方案才获通过，当时所预计的发射时间为2014年。之后，韦布就出圈了，开始有了“鸽王”的称号，并逐渐坐稳。据不完全统计，韦布“鸽”了至少12次，期间不知道有多少博士为此彻夜难眠，更有多少声栓Q消失在风中。
图1：韦布太空望远镜的艺术想象图。图片来源：NASA GSFC/CIL/ADRIANA MANRIQUE GUTIERREZ等待的过程无疑是痛苦和煎熬的。然而，漫长等待之后的成功将带来更愉快的享受，就像在网红餐厅门外排队2小时、等菜1小时之后，你会发现这家餐馆的招牌菜真的很美味。话说回来，韦布这个史上最贵的空间望远镜也对得起大家的期待，它真的很牛，尽管我们也的确被饿了好久。
韦布已公布的早期成果里，包括了对3颗系外行星的研究。首先是在热木星WASP-96b的大气中探测到了水（见图2）。这颗行星是广角行星搜索（Wide Angle Search for Planets, WASP）项目发现的第96颗系外行星，距离地球约1120光年。它的主星是一颗G型星，温度和质量与太阳类似，只是略微年老一些。WASP-96b是一个“热木星”，质量是木星一半左右，半径却是木星半径的1.2倍，因此密度只有木星的1/3左右，而温度则可达1200K（木星表面仅有165K，即-108℃）。热木星就是这样一类天体，它们的半径与太阳系内的木星类似，但因为公转周期短、离恒星近，且已被潮汐锁定，因此行星温度远超木星温度，最高可达7660K!
WASP96b是一个凌星行星，它的轨道面与视线方向一致，因此行星会周期性地运行到主星与地球之间从而挡住主星星盘的一部分，导致整个系统的亮度有微弱的下降，一般呈现为U型的光变曲线（见图2）。对于没有大气的行星，U型坑的深度大约正比于行星完全不透明部分（图中黑色实心圆）与恒星面积之比，对于有大气的行星，其大气也会产生额外的吸收（图中灰色圆环）。可以理解，因为连续谱吸收的波长依赖和原子、分子、粒子的选择性吸收，不同的波长处的凌星深度（简称食深）也不同。反过来，通过测量不同波长处的食深，可以用来研究行星大气的性质。
图2：WASP-96b的光变曲线及几何示意图。图片来源：NASA为研究WASP-96b的大气，韦布“凝视”了这个系统6时23分，覆盖了一次完整的凌星事件，且包括前后各2小时左右的凌星外基线观测，其配备的近红外光谱仪NIRISS获得了280条光谱。经过复杂而严谨的数据处理，扣除了恒星的干扰，获得了如图3这条光谱（白色实心圆+灰色误差棒）。研究人员建立了行星大气模型，通过与观测数据的对比，给出了最佳拟合结果（图3中的蓝色实线），这样的结果暗示WASP-96b的温度为725摄氏度，且大气中含有水蒸气和云雾。
对比起来，之前的研究表明这颗行星的大气中没有云，且行星的温度更高一些（830-1710 K）
[1, 2, 3]。这其实可能是因为云的遮挡，这些早期的观测只看到了较高层的大气，而韦布的红外波段可以透过行星大气，尤其是云雾探测到底层大气的情况。其更高的灵敏度和精度使得探测更弱的信号成为可能，因此探测到了云和水，而且得到的温度更低。由此可见，韦布的确是研究系外行星大气的利器。在这个工作中，探测到水并没有太令人吃惊，因为大部分热木星都十分潮湿
[4]。
根据图3，笔者估计了一下：韦布光谱数据的噪声水平大约为200-400ppm （1 ppm = 10^-6），也就是0.02%的亮度变化，看起来很不错，但与当前研究行星大气的主流设备（哈勃空间望远镜和地面8米级望远镜）相比，并无明显优势。尽管其光谱分辨率有显著提高，但对分子带探测来说，重要性并不是很显著。也因此，此工作对笔者触动不大，并没有很“解馋”。
图3：韦布望远镜NIRISS光谱仪拍摄的系外行星WASP-96b的光谱。图片来源：NASA令笔者更感兴趣和震惊的是韦布对另一个由WASP项目发现的热木星WASP-39b的观测结果。WASP-39b距离地球约700光年，公转周期4.05526天，行星温度1170K，质量是木星的0.28倍，半径却是木星半径的1.27倍，密度只有0.18克/立方厘米，是已知的密度最低的几个行星之一。这样蓬松的行星压力标高，透射光谱信号强，是开展大气观测研究的绝佳样本。而人类的确已在这个行星大气中明确地探测到了金属钠、钾、水蒸气，并指出可能存在有二氧化碳。这也是韦布凌星早期科学团队把这个行星作为观测目标的主要原因之一。另外一个重要原因在于，WASP-39b的大气信号受到其主星恒星活动的影响很小。
值得一提的是，WASP-39b和它的母星各有一个通俗的名字Boca Prins（博卡·普林斯）和Malmok（马尔默科），来源于2019年的系外行星命名（NameExoWorlds II）活动。为庆祝国际天文联合会IAU成立100周年，IAU给全球每个国家分配了一颗在其国土利用小型望远镜就可看到的行星系统，每个国家都组织了全国性的投票来选择一个通俗的名字。众所周知，位于加勒比地区的荷属阿鲁巴国有众多美丽的海滩，而Boca Prins和Malmok这2个美丽海滩的名字脱颖而出。当然，我们天文学家并没有期待这颗行星上有海滩。
大约4年前，斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope，缩写为SST）获得了WASP-39b在3.5微米和4.5微米两个波段的食深，发现后者显著大于前者（图4），当时的科学家认为这可能暗示了二氧化碳的存在，但无法完全确认
[5]。斯皮策空间望远镜的宽波段测光无法给出更严格的限制，而彼时也并无其它可用的设备在4微米波段工作。
图4：哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜获得的WASP-39b的透射光谱。图片来源：参考文献[5]好在现在有了韦布。这次负责给行星拍摄光谱的是韦布的另外一个名为NIRSpec的天文仪器。韦布在2022年7月10号当天连续观测了8小时13分，获得了21500条光谱，其中有2小时48分行星位于恒星正前方，恒星辐射通过行星大气，留下了弥足珍贵的化学印记。数据处理分析后获得的光谱见图5。
图5：韦布望远镜NIRSpec光谱仪获得的系外行星WASP-39b的透射光谱。图片来源：参考文献[5]光谱中明显可见4.3微米处极为显著的凸起。通过与模型的对比分析，艾娃-玛利亚·阿瑞尔（Eva-Maria Ahrer）等人认为这个凸起应该是由行星大气中二氧化碳分子的吸收导致。图中蓝线是考虑了水、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢和甲烷以及云霾之后的总大气吸收，与观测数据（带误差棒的黑色实心圆）吻合良好，而一旦忽略二氧化碳，模型（黑色实线）就与观测数据相差甚远。
其它系外行星中（例如HD189733b、HAT-P-7b）也有探测到二氧化碳，但置信度都不高，而韦布这次观测WASP-39b所探测到的二氧化碳的置信度高达26！难怪所有看到数据的业内人士都赞叹不已，美国航空航天局（NASA）的杰西·克里斯蒂安森（Jessie Christiansen）博士惊呼：这是第一次“怼脸”（punch in the face）的探测！
笔者深有同感！多年的系外行星大气工作中，似乎从未见到、更从未有幸遇到如此高置信度的数据。怎么理解置信度26呢？如果写一个观测申请，声称要实现这么高置信度的探测，时间分配委员多半会建议减少观测时间，达到5左右的置信度即可。这样让人惊叹的成果，无疑让业内人士对韦伯信心百倍。假设能保持如此高的置信度，韦布在第一年运行期将观测76颗系外行星，整个任务期将观测上百颗行星。这些观测很可能给系外行星研究带来巨大的变革。
- 超丰的碳酸气：年少疯狂碰撞多 vs. 距离太近牺牲多？
这场盛宴不仅仅是技术上的突破，在系外行星大气中明确探测到二氧化碳这件事本身也是非常令人兴奋，更是值得大书特书。
目前的理论认为，恒星形成于分子云坍缩，在此过程中会分子云因为旋转而形成原行星盘，行星就诞生于原行星盘之中。因此可合理假设，行星与恒星的金属丰度应该一样。然而，事实并非如此。我们的太阳系就没这么理想，比如，金星大气中96.5%都是二氧化碳，因此金属含量极高；而许多系外行星系统也不符合这一假设，其中WASP-39b就是一个典型的例子。
在对比模型与观测之后，天文学家们发现WASP-39b大气中主要除了氢和氦之外，最多的是水和一氧化碳，体积混合比接近1%，其次是硫化氢占比万分之几，二氧化碳含量约十万分之几，还有更少量的甲烷，总的金属（在天文学中，所有比氦重的元素都被视为金属）丰度是太阳的10倍，而它主恒星的金属丰度与太阳类似。那么，为什么会有10倍的差异呢？那些金属哪去了？
让我们先从太阳系内行星说起。系内行星大气分为三类。第一类是原生大气，是行星形成过程中从原行星盘吸积而来，主要成分是氢和氦，大气层比较厚，木星和土星就属于此类。第二类是次生大气，它们并不是吸积产生，而是内部火山活动或者外部彗星撞击而产生的大气。太阳系内除地球以外的类地行星包括水星、金星、火星都拥有此类大气。第三类就是三生大气，是在次生大气的基础上因生物活动而有所改变的大气，目前只有地球大气属于此类。
受观测数据限制，我们对系外行星的了解肯定不如系内行星。对于只有氢和氦的浓厚的原生大气，光谱信号弱且谱线少，观测极为困难，只能用于研究高层大气和逃逸层。而那些比较稀薄的、金属丰度高的、存有大量重元素分子的大气，才更容易被探测到。也就是说，我们采用天文方法用望远镜探测到的系外行星大气绝大部分应该是次生大气。这些次生大气有可能是行星年轻时受到彗星、小行星撞击而形成的，它们中大量的金属（包括碳）会留在行星中。但也可能是因为高层大气中的氢和氦受到恒星潮汐力、恒星紫外辐射等因素影响而逃逸，导致残留大气的金属丰度增高。
具体到WASP-39b这颗行星，它距离其主星只有0.05个天文单位（天文单位是日地平均距离，约1.5亿公里），接受的辐射强、温度高、密度低，高层大气部分逃逸的可能性无法排除。而另一方面，WASP-39b的金属丰度、半径、质量都与土星类似，而土星早期的确是经受了很多碰撞，因此，也无法排除WASP-39b的次生大气是由行星形成早起经历“天地大碰撞”导致的可能性。
地球上的二氧化碳貌似已成为过街老鼠，是许多科学家口中全球升温的罪魁祸首（注：笔者并不赞同）。但实际上，它更是地球生命诞生和发展的基石。所有生命，包括植物、动物、细菌、病毒，其主要成分是水和碳水化合物，含量最高的元素是氧和碳。人类和动物可以通过呼吸直接获取氧元素，而碳元素就必须通过吃动物或植物来获得（除非是可以直接吃大理石、石灰石等岩石的生命），而植物可以直接吸收空气中的二氧化碳。试想，如果地球大气中没有二氧化碳，我们所熟知的碳基生命就很难产生了。
当然，行星大气中存在二氧化碳不代表行星上一定有生命，尤其是类似WASP-39b这样的气态巨行星。对于岩石类行星，也同样如此，因为非生物过程也可以产生二氧化碳。但如果在大气中同时探测到了甲烷和二氧化碳，说明很可能有生命存在，因为甲烷在氧化性大气中很短的时标内就会被氧化，如果没有大量产生甲烷的机制，大气中便不应该存在甲烷。而甲烷的主要产生机制是生物过程。
一般认为，氧气和臭氧是最明确可靠的生物信号，但前者信号很弱，后者也分布在远紫外（0.25微米附近）或中红外波段（10微米），因此探测非常困难，即使当代最强大的韦布也无法完成在类地行星中搜寻这些信号的重任。此次韦布在WASP-39b大气中明确探测到二氧化碳，为人类研究系外生命提供了一个机会。重点利用NIRSPEC结合NIRISS观测超级地球或者红矮星周围的类地行星，尝试探测二氧化碳、一氧化碳、甲烷等气体，或许能够提供更多系外宜居世界与生命相关的信息和知识。
然而，探测系外生命的最后一棒可能需要未来大口径单镜面紫外光学空间望远镜来完成。比如，美国十年规划提出最早于2040年部署的6米紫外光学望远镜，以及我国提出的2035年代的天邻计划（大型紫外光学深空天文台）。单镜面可保证更好的成像质量、更好的星光抑制比，而紫外和光学波段则是探测臭氧、氧气乃至叶绿素这些明确生命信号的最佳波段。
总有人说二十一世纪是生命科学的世纪，事实也的确如此。近年来，地球上的生命科学发展的确极为迅速。身为一名天文工作者，本人无比期待“天体生物学”也能在二十一世纪取得想韦布那样划时代的进步。
[1] “ACCESS: Confirmation of a Clear Atmosphere for WASP-96b and a Comparison of Light Curve Detrending Techniques”, Chima D. et al., 2022, AJ, 164, 134[2] “An absolute sodium abundance for a cloud-free 'hot Saturn' exoplanet”, Nikolov et al., 2021, Nature, 557, 526[3] “On the Compatibility of Ground-based and Space-based Data: WASP-96 b, an Example”, Yip et al., 2020, AJ, 161, 4[4] “A unique hot Jupiter spectral sequence with evidence for compositional diversity”, Mansfield et al. 2021, Nature Astronomy, 5, 1224-1232[5] “The Complete Transmission Spectrum of WASP-39b with a Precise Water Constraint”, Wakeford H.R., 2018, AJ, 155, 29[6] “Identification of carbon dioxide in an exoplanet atmosphere”, Ahrer E.-M., 2022, arXiv: 2208.11692
制版编辑 | Livan
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院半导体所立场
编辑：了之
