在上篇中，我們介紹了系外行星“動物園”與探測系外行星的4種最重要的方法。接下來，我們開始介紹韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱“韋布”）拍攝的HIP 65426b的詳細性質與它在研究系外行星方面的優勢，並展望人類將來確認另一顆“地球”的激動人心的前景。

三、韋布的拍照對象——HIP 65426b

HIP 65426與其行星HIP 65426b構成的系統位於半人馬座方向。在人眼最敏感的V波段，HIP 65426是一顆7等星，無法被人類的肉眼看到，因為肉眼看星的極限是6等或6.5等。所以我們只能藉助望遠鏡才可以看到它。

根據GAIA衛星在2020年的測量，HIP 65426距離地球約350.6光年。它表面的溫度約為8840 K，略高於太陽的表面溫度（5772 K）。它的質量約為太陽質量的1.96倍。它的半徑約為太陽半徑的1.77倍。它的年齡約為1400萬年，遠低於太陽的年齡（約46億年）。

HIP 65426b繞HIP 65426公轉一周需要631年（指地球上的年，下同）。作為對比，距離太陽最遠的行星海王星公轉一周的時間為164.8年，矮行星冥王星公轉一周的時間為247.94年。

HIP 65426的星圖，它位於黃色圓圈中心，在亮星南門二A星（半人馬座α星A星，Rigil Kent）與馬腹一（半人馬座β星，Hadar）附近圖片來源：Tomruen

在VLT-3發現HIP 65426 b之後、韋布拍攝它之前，天文學家就已通過各種手段研究了它的性質。這些研究表明：（1）HIP 65426 b非常“年輕”，年齡約為1400萬年；相比之下，地球就比較“成熟”了，年齡約為46億年。（2）HIP 65426 b的大氣中的塵埃含量較高，缺乏碳，富含氧，存在水和二氧化碳，但甲烷和氨未被探測到。（3）HIP 65426 b的表面溫度約為1560 K。（4）HIP 65426 b的質量約為木星質量的10或11倍。

按照行星形成理論，恆星周圍的氣體與塵埃逐漸凝聚成行星時，周圍還會存在一些殘存的盤物質。令天文學家費解的是，HIP 65426 b還這麼年輕，它周圍殘存的盤卻已經消失了。這與當前流行的理論模型矛盾。

韋佈在中紅外波段（3微米以上）的拍攝，有利於人們更透徹地了解這顆行星的性質。加州大學聖克魯茲分校天文與天體物理系的Aarynn L. Carter主持了這項研究。他們利用韋布拍攝了7個波段的圖像（見下圖。為了使小圖被排列地更美觀，該團隊只向媒體公佈了其中4個波段的圖像，見上篇第一張圖）。

韋布拍攝的HIP 65426b的圖像。7張小圖拍攝的分別是這顆行星在平均波長分別為2.523微米、3.067微米、3.580微米、4.084微米、4.397微米、11.307微米與15.514微米的波段上的圖像。白色五角星表示恆星所在的位置，恆星自身發出的光被星冕儀屏蔽了。圖片來源：A. Carter et al. arXiv:2208.14990v2

在拍攝的圖像中，HIP 65426與HIP 65426b的角距離約為0.82角秒，結合它們與地球的距離，Carter等人計算出HIP 65426b的平均軌道半徑約為87天文單位（1天文單位等於1.5億千米，即地球與太陽的平均距離），大約是海王星平均軌道半徑的3倍、冥王星平均軌道半徑的2倍。

Carter等人將韋布得到的數據與此前SPHERE得到的數據結合，得到了1~16微米範圍內的亮度值，這個波長范圍內的亮度佔了HIP 65426 b總亮度的97%。

Carter等人將這些數據繪製成圖（見下圖）。

圖中，韋布得到的七個波段的點用橙色空心點表示；SPHERE的積分場光譜儀（IFS）得到近紅外光譜由密集的黑色空心三角形表示；SPHERE的紅外差分成像儀和光譜儀（IRDIS）獲得的測光點由黑色空心方塊表示；搭配在VLT-1上的Nasmyth自適應光學系統-CONICA近紅外相機（NACO）獲得的測光點由黑色空心菱形表示。

圖：HIP 65426b的近紅外光譜（左邊密集三角空心點）、近紅外-中紅外測光數據（其他空心點，其中橙色空心圓點為韋布觀測的數據）、最佳模型擬合線（藍色粗線）與模型在一些波段得到的最佳值（藍色實心小圓點），穿過點的棒表示誤差範圍。下圖：各波段的殘差（Residuals），即觀測數據減去理論值之後得到的值。圖片來源：A. Carter et al. arXiv:2208.14990v2

很顯然，韋布補上了5微米以上的測光數據，且其在4微米左右的測量值與VLT的NACO得到的值有肉眼可見的差異。Carter等人用大氣模型擬合這些數據（他們在擬合時未包括NACO的數據，因為它們與韋布得到的數據存在矛盾）。

模型擬合表明：HIP 65426 b的溫度約為1673 K；HIP 65426 b的半徑約為木星半徑的0.92倍。Carter等人還將觀測結果與演化模型結合，得到的行星半徑約為木星半徑的1.45倍，得到的表面溫度約為1282 K。在此基礎上，Carter等人計算出的HIP 65426 b的熱亮度為太陽熱亮度的10萬分之4.5倍到10萬分之6.2倍，進而它的質量約為木星質量的7.1倍（誤差為木星質量的1.1倍）。

Carter等人的這個結果將此前得到的一些物理量的精度提高了3倍。

四、韋布的性能測試

在近紅外波段與中紅外波段，HIP 65426 b反射的母恆星的光分別僅為其母恆星發出的光的萬分之一與幾千分之一。韋布用星冕儀擋住恆星的光，拍下了這張照片。從直觀上看，韋布拍攝的圖沒有VLT-3拍攝的清晰，但韋布拍攝到的是更長波長的中紅外圖像。

由於系外行星的溫度比恆星低得多，其相當一部分輻射在中紅外波段，被觀測到的中紅外輻射可以被用來與短波數據結合，用以構建更完整的能譜，進而推導出其溫度、半徑等重要性質（見上節）。在此基礎上，人們還可以更精確地確定係外行星的熱亮度與質量。

此外，相比於地面望遠鏡，韋布拍攝系外行星時還有以下優點：地面上的望遠鏡觀測受到大氣乾擾，因此常常要用“自適應光學”技術消除大氣的影響；韋佈在太空中，不受大氣乾擾，因此不需要這個技術的輔助，這使它可以獲得更精確的測量數據。

VLT-4（“Yepun”，意為“金星”）正在發射激光，製造激光導引星，用以執行“自適應光學”程序，消除大氣對觀測的影響。圖片來源：G. Hüdepohl/ESO

Carter等人認為，韋布這次成功的拍攝表明它在拍攝系外行星方面的能力是預計中能力的10倍。

五、讓我們的“暗淡藍點”不再孤單

早在1584年，布魯諾（Giordano Bruno，1548-1600）就猜測天上的那些恆星可能都有圍繞著它們運轉的行星。然而，直到1992年前，人類才首次發現系外行星，此時距離布魯諾提出這個猜測已有400多年。

從那時到現在，人類發展出各種各樣高精度的技術，發現了5000多顆系外行星與至少8000多顆待確認的候選體。這些技術既是人類心智的結晶，也代表著人類在尋找地球遙遠的同類時的不懈努力。

韋布通過這次拍攝證明了它在觀測系外行星方面的卓越性能，使其正式成為系外行星研究的重要一員。

韋佈在中紅外波段的觀測對於構造一個完整的能譜，進而推斷系外行星的溫度、半徑、熱亮度與質量等重要數值特別重要。此外，它攜帶的敏銳的光譜儀使人們可以更精確地推斷出一些處於母恆星的“宜居帶”內的類地行星的大氣與表面的化學成分，從而可以讓人類進一步判斷它們是否適合生命存活與演化。最後，韋布還同時擁有大口徑、高靈敏度、高精確度等優點。

這些優點的結合，使韋佈在確定係外行星性質、尋找另外的“地球”方面具有特殊的優勢。

天文學家確認的可能適宜生命存活與演化的系外行星（“宜居行星”）。每顆行星下方給出了距離與名稱，“ly”代表光年。右側從上到下依次為太陽系內的地球（Earth）、火星（Mars）、木星（Jupiter）與海王星（Neptune）。圖源：PHL @ UPR Arecibo (phl.upr.edu)

1990年2月14日，在太空中飛行了12年多的NASA的旅行者1號（Voyager 1）在距離地球60億千米的地方拍下了一張珍貴的照片。在這張圖中，只有0.12像素、看似微不足道的那個微小亮點就是地球，它幾乎被相機反射陽光後形成的彩色光帶淹沒。

旅行者1號在距離地球60億千米的太空中拍攝的地球，它在圖中只是一個非常小的點圖源：NASA

1994年，著名天文學家與科普作家薩根（Carl Sagan，1934-1996）將圖中那個點稱為“暗淡藍點”（Pale Blue Dot），並以此作為一本書的名字，這顆暗淡藍點就是我們珍貴的家園。

當我們凝視著照片中的這個暗淡藍點時，我們不禁會問：“我們的地球在宇宙中真的是孤單的嗎？”人類逐步發現的一些可能的宜居行星已經能夠讓我們越來越樂觀地給這個問題一個否定的答案。

雖然這些可能宜居的行星的各種性質依然與我們的地球存在差距，但我們可以樂觀地預期：在韋布與其他強大的望遠鏡的助力下，人類將很快尋找到性質更接近我們地球、更適宜生命存活與演化的宜居行星，直到找到真正的另一顆地球，從而讓我們所在的這顆暗淡藍點不再那麼孤單。

彩蛋：問答時間

問題：如何根據韋布發布的照片右下方的編號直接判斷圖像中輻射的平均波長的近似值？

答：將裡面的數字直接除以100，再以微米為單位，得到的值與真實的平均波長的差異可以忽略不計。翻到上面那張有7張小圖的圖片試試看，再與圖下方給出的波長對比一下。

出品：科普中國

作者：王善欽

來源：科普中國