利用JWST 的MIRI 進行的觀測檢測到WASP-107b 大氣中的水蒸氣、二氧化硫和沙雲。由MPIA研究人員共同領導的歐洲天文學家小組利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）最近的觀測數據研究了附近系外行星WASP-107b的大氣層。透過深入觀察其蓬鬆的大氣層，他們發現了水蒸氣、二氧化硫，甚至矽酸鹽沙雲。這些顆粒存在於一個充滿活力的大氣層中，表現出強烈的物質遷移。

系外行星WASP-107b 及其母恆星的藝術概念圖。儘管這顆相當涼爽的母恆星發出的高能量光子相對較少，但它們卻能深入這顆行星蓬鬆的大氣層。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

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。這顆行星的質量與海王星相似，但體積要大得多，幾乎接近木星的大小。這項特性使得WASP-107b 與太陽系內的氣態巨行星相比顯得相當”蓬鬆”。這使得天文學家能夠深入觀測它的大氣層，其深度大約是木星等太陽系巨行星的50 倍。

韋伯的中紅外線儀器揭示化學成分

歐洲天文學家小組充分利用了這顆系外行星的顯著蓬鬆性，並利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）上的中紅外線儀器（MIRI）對其進行了觀測。這次機會為深入觀測它的大氣層、揭開其複雜的化學成分打開了一扇窗。這背後的原因相對簡單：與更緊湊的大氣相比，密度較低的大氣中的訊號或光譜特徵要突出得多。他們最近發表在《自然》（Nature）雜誌上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至關重要的資訊。首先，甲烷的缺失暗示著這顆行星內部可能是溫暖的，這讓人對這顆行星大氣中的熱能傳輸有了一絲好奇。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。先前的計算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，其蓬鬆的性質可以容納二氧化硫的形成。儘管這顆相當冷的主星發出的高能量光子相對較少，但它們可以深入行星的大氣層。這種情況使得產生二氧化硫所需的化學反應成為可能。

JWST上的中紅外線儀器（MIRI）的低分辨率光譜儀（LRS）捕捉了溫暖的海王星系外行星WASP-107b的透射光譜，揭示了該行星大氣中存在水蒸氣、二氧化硫和矽酸鹽（沙）雲的證據。天文學家首先測量系外行星未凌日時的星光。這就是基線星光。當系外行星從宿主恆星前方穿過時，會阻擋部分星光。同時，一些星光穿過系外行星的大氣層。近紅外線成像儀會記錄穿越過程中的總光（星光加上穿過系外行星大氣層的星光）。對於每個波長，科學家透過從過境期間測得的總光中減去基線星光，計算出被行星及其大氣層（白圈）遮擋的星光量。光譜覆蓋的波長在4.61 到11.83 微米之間。這些數據得到了哈伯數據的補充，波長從1.1 微米到1.7 微米不等。橙色實線是與JWST 和哈伯資料擬合的最佳模型。陰影區域表示水蒸氣（紅色）、二氧化硫（藍色）和沙雲（黃色）對最佳擬合模型的貢獻。資料來源：Michiel Min / European MIRI EXO GTO team / ESA / NASA

WASP-107b的”天氣預報”預測到了沙雲

但這並不是他們發現的全部。與無雲的情況相比，二氧化硫和水蒸氣的光譜特徵明顯減弱。高空雲層部分遮蔽了大氣中的水蒸氣和二氧化硫。雖然已經透過間接方式推斷出其他系外行星上存在著由不同物質組成的雲層，但這是天文學家首次能夠明確確定雲層的化學成分。在這種情況下，雲層由細小的矽酸鹽顆粒組成，這種物質在世界上許多地方都很常見，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 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”。

共同作者、來自德國海德堡馬克斯-普朗克天文學研究所（MPIA）的保羅-莫利耶爾（Paul Mollière）對此表示贊同：”JWST的價值無論怎樣強調都不為過：無論我們用這台望遠鏡觀察哪裡，我們總是能看到一些出乎意料的新東西。這項最新成果也不例外。”

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。

矽酸鹽液滴的奇異大氣循環

在地球大氣中，水在低溫下會凝結成冰，而在氣態行星中，矽酸鹽微粒會凝結成雲，溫度達到攝氏1000度左右。然而，WASP-107b 的外部大氣溫度高達約500 攝氏度，根據傳統模型的預測，這些矽酸鹽雲應該在大氣深處形成，那裡的溫度要高得多。此外，高空沙雲會向低層降雨。那麼，這些沙雲怎麼可能存在於高海拔地區並持續存在呢？

“我們在高空看到這些沙雲，肯定意味著沙雨水滴是在更深的高溫層中蒸發的。由此產生的矽酸鹽蒸氣被有效地提升起來，”領銜作者、荷蘭空間研究所（SRON ）的米希爾-閔（Michiel Min）解釋。「在這裡，它們重新凝結，再次形成矽酸鹽雲。這類似於地球上的水蒸氣和雲的循環，只不過是沙滴的循環。WASP-107b大氣中持續存在沙雲的原因就在於這種透過垂直傳輸進行昇華和凝結的持續循環。”

這項開創性的研究揭示了WASP-107b的奇異世界，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。

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡藝術家構想圖。資料來源：NASA-GSFC，Adriana M. Gutierrez（CI 實驗室）

JWST 和MIRI 是探索系外行星大氣的強大工具

“MPIA 很榮幸能為MIRI 提供關鍵零件，”MIRI 共同首席科學家兼MPIA 主任Thomas Henning 說。”其中包括MIRI 光度計和光譜儀的過濾輪，以及定位波長選擇元件的機制，這些元件產生了包含化學特徵的光譜。MPIA 的工作人員還為MIRI 的地面和飛行測試提供了支持。”

“與歐洲和美國的同事們一起，我們已經建造和測試近紅外線成像儀近20年了。看到我們的儀器揭開了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， “儀器專家兼MIRI 聯合首席科學家、魯汶大學的Bart Vandenbussche 說。

MPIA 科學家兼觀測計畫共同負責人Jeroen Bouwman 補充說：「這項研究綜合了對JWST 觀測資料的多項獨立分析結果，不僅體現了多年來在MIRI 儀器製造方面的投入，也體現了多年來在MIRI觀測資料的校​​準和分析工具方面的投入。”

編譯來源：ScitechDaily