一組天文學家利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）最近的觀測數據研究了附近系外行星WASP-107b的大氣層。這些顆粒所處的大氣層充滿活力，呈現強烈的物質遷移現象。

藝術家印像中的WASP-107b 及其母恆星。圖片來源：插圖： 比利時LUCA 藝術學院/ Klaas Verpoest（視覺），Johan Van Looveren（排版）。Achrène Dyrek（法國原子能委員會和巴黎城市大學）、Michiel Min（荷蘭SRON）、Leen Decin（比利時魯汶大學）/歐洲MIRI EXO GTO 小組/歐空局/美國國家航空暨太空總署（NASA）

全世界的天文學家正在利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）上搭載的中紅外線儀器（MIRI）的先進功能，對系外行星–圍繞太陽以外的恆星運行的行星–進行突破性的觀測。魯汶大學天文學研究所的研究人員共同領導的歐洲天文學家小組觀測到了這顆獨特的氣態系外行星WASP-107 b。

這顆行星的質量與海王星相似，但體積卻比海王星大得多，幾乎接近木星的大小。與太陽系內的氣態巨行星相比，WASP-107b 的這項特點使其顯得相當”蓬鬆”。與木星等太陽系巨行星的探測深度相比，這顆系外行星的蓬鬆度使天文學家能夠深入其大氣層約50 倍。

WASP-107b 是一顆獨特的氣態系外行星，它圍繞著一顆比太陽溫度稍低、質量稍小的恆星運行。

深入的大氣分析

歐洲天文學家小組充分利用了這顆系外行星非凡的蓬鬆度，使他們能夠深入觀察它的大氣層。這個機會為揭開其大氣層複雜的化學成分打開了一扇窗。這背後的原因非常簡單：在密度較低的大氣層中，訊號或光譜特徵比在密度較高的大氣層中突出得多。他們最近在《自然》雜誌上發表的研究報告揭示了水蒸氣、二氧化硫（SO2）和矽酸鹽雲的存在，但值得注意的是，沒有發現溫室氣體甲烷（CH4）的痕跡。

這些探測結果為了解這顆迷人系外行星的動力學和化學性質提供了重要資訊。首先，甲烷的缺失暗示著這顆行星內部可能是溫暖的，這為我們了解熱能在行星大氣中的流動提供了一個誘人的窗口。其次，二氧化硫（以火柴燒焦的氣味而聞名）的發現也是一大驚喜。先前的模型曾預測不存在二氧化硫，但WASP-107b大氣層的新型氣候模型現在表明，WASP-107 b的蓬鬆度本身就能在其大氣層中形成二氧化硫。儘管它的宿主恆星由於溫度較低而發射出的高能量光子相對較少，但由於其蓬鬆的特性，這些光子可以深入行星的大氣層。這使得產生二氧化硫所需的化學反應得以發生。

由JWST上的中紅外線儀器（MIRI）的低解析度光譜儀（LRS）捕捉到的暖海王星系外行星WASP-107b的透射光譜顯示了該行星大氣層中存在水蒸氣、二氧化硫和矽酸鹽（沙）雲的證據。資料來源：Michiel Min / European MIRI EXO GTO team / ESA / NASA

雲的組成和動力學

但這並不是他們觀測到的全部。與無雲的情況相比，二氧化硫和水蒸氣的光譜特徵都明顯減弱。高空雲層部分遮蔽了大氣中的水蒸氣和二氧化硫。雖然其他系外行星上也有雲層的推斷，但這是天文學家第一次能夠明確地確定這些雲層的化學成分。在這種情況下，雲層由小矽酸鹽顆粒組成，這是一種人類熟悉的物質，在世界許多地方都能找到，是沙子的主要成分。

“JWST 正在徹底改變系外行星的特徵描述，以驚人的速度提供前所未有的洞察力，”領銜作者、魯汶大學的Leen Decin 教授說。”JWST的近紅外線成像儀在這顆蓬鬆的系外行星上發現了沙子、水和二氧化硫雲，這是一個關鍵的里程碑。它重塑了我們對行星形成和演化的理解，為我們自己的太陽系帶來了新的曙光”。

歐洲天文學家團隊深入觀察WASP-107 b 的蓬鬆大氣層，不僅發現了水蒸氣和二氧化硫，甚至還發現了矽酸鹽沙雲。圖片來源：插圖： 比利時LUCA 藝術學院/ Klaas Verpoest（視覺），Johan Van Looveren（排版）。科學： Achrène Dyrek（法國原子能委員會和巴黎城市大學）、Michiel Min（荷蘭SRON）、Leen Decin（比利時魯汶大學）/歐洲MIRI EXO GTO 小組/歐空局/美國太空總署

溫度和雲的形成

在地球大氣中，水在低溫下會凝結成冰，而在溫度達到攝氏1000度（約1800華氏度）左右的氣態行星中，矽酸鹽顆粒會凝結成雲。然而，WASP-107 b 的外層大氣溫度約為500 攝氏度（約 900 華氏度），根據傳統模型的預測，這些矽酸鹽雲應該是在大氣深處形成的，那裡的溫度要高得多。此外，大氣深處的沙雲會下雨。那麼，這些沙雲怎麼可能存在於高空並持續存在呢？

領銜作者米希爾-閔（Michiel Min）博士說：”我們在高空看到這些沙雲的事實肯定意味著，沙雨水滴在更深的高溫層中蒸發，產生的矽酸鹽蒸汽被有效地移回高空，在那裡重新凝結，再次形成矽酸鹽雲。這與我們地球上的水蒸氣和雲的循環非常相似，但水滴是由沙子構成的”。WASP-107 b 的大氣中之所以會持續存在沙雲，就是因為這種透過垂直傳輸不斷昇華和凝結的循環。

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡旨在研究系外行星的大氣層，從而確定這些行星是否適合居住或是否含有生物特徵。資料來源：諾斯羅普-格魯曼公司

系外行星研究的進展

這項開創性的研究不僅揭示了WASP-107b的奇異世界，也推動了我們對系外行星大氣的認識。它標誌著系外行星探索的一個重要里程碑，揭示了這些遙遠世界上化學物質和氣候條件之間錯綜複雜的相互作用。

“JWST使我們能夠對太陽系中沒有任何對應的系外行星進行深入的大氣表徵，我們正在揭開新世界的面紗！”主要作者、巴黎CEA的Achrène Dyrek博士說。

近紅外線成像儀的設計與開發

由於比利時聯邦科學政策辦公室BELSPO 透過歐空局PRODEX 計畫提供的資金，比利時工程師和科學家在MIRI 儀器的設計和開發過程中發揮了關鍵作用，其中包括列日太空中心（CSL）、泰雷茲阿萊尼亞航太公司（沙勒羅瓦）和OIP 感測器系統公司（歐德納德）。在魯汶工程大學天文學研究所，儀器科學家在英國實驗室、美國宇航局戈達德中心和美國宇航局約翰遜航天中心模擬太空環境的特殊測試艙中對MIRI 儀器進行了廣泛測試。

與歐洲和美國的同事們一起，我們已經建造和測試了近20 年的MIRI 儀器。儀器專家、魯汶大學的Bart Vandenbussche 博士說：”看到我們的儀器揭開這顆引人入勝的系外行星大氣層的面紗，我們感到非常有成就感。”

德國馬克斯-普朗克天文研究所的Jeroen Bouwman 博士說：「這項研究綜合了對JWST 觀測數據進行的多項獨立分析的結果，不僅體現了我們多年來在MIRI 儀器製造方面的投入，也體現了我們多年來在MIRI 觀測資料的校​​準和分析工具方面的投入。”