论文简介

•美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)于2021年12月发射，现在环绕太阳运行，距离地球约150万公里。

•去年发布的早期数据证实，这是研究系外行星的理想有利位置——系外行星是围绕太阳以外的恒星运行的遥远世界。

•五篇论文自然报告分析了WASP-39b的大气化学特征，WASP-39b是一颗具有类似土星质量的热系外行星。

•这些研究解决了关于这颗系外行星大气层的问题，并展示了JWST的力量和多功能性。

Julia诉seidel & Louise d. nielsen:遥远世界的组成和起源

Rustamkulovet al。1男性,艾德森et al。2,范斯坦et al。3.和ahret al。4，5在JWST上使用了三种不同的仪器——每一种都有自己的优点和缺点——但报告的结果在很大程度上是互补的(图1)。在所有五次调查中，研究小组发现，WASP-39b大气中比氢和氦更重的元素比太阳中更丰富，而碳氧比比太阳低，与土星相当。这些发现提供了关于这颗行星的形成、大气的基本组成以及它可能存在生命的重要信息。

图1

图1 |从远处看大气化学。五篇论文报告了使用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)来推断遥远行星WASP-39b大气的化学成分的分析。分析绘制了大气的透射光谱，这表明了不同波长的光在大气中的渗透情况。每篇论文的作者通过使用三种仪器(或配置)之一来获得特定的波长范围:Rustamkulovet al。1男性,艾德森et al。2和ahret al。4使用近红外光谱仪;范斯坦et al。3.使用近红外成像仪和无缝隙光谱仪;和ahr在艾尔。5使用近红外摄像机研究揭示了水、二氧化碳、一氧化碳、钠和钾的特征;测定云的性质;并发现了二氧化硫存在的证据。这些发现对于理解WASP-39b的大气过程以及行星是如何和在哪里形成的至关重要。(改编自图文于go.nature.com/3ddesjg．）

系外行星大气中的碳氧比是行星形成地点的一个重要标志6．这对于靠近主星的巨型行星尤其有用，因为自第一颗系外行星被发现以来，它们的形成机制一直是一个悬而未决的问题。为WASP-39b测量的比例表明，这颗行星可能是在系统的水-冰线以外的位置形成的——水-冰线是指距离主星足够冷，使水和二氧化碳等化合物凝结成固态冰的距离。在这个位置，这颗行星可能吸积了JWST测量到的富氧固体，然后向内迁移到目前的位置。

硫氧比是行星形成之谜中的另一块拼图。但系外行星大气中的硫含量之所以引人注目，还有另一个原因。二氧化硫很像地球大气中的保护性臭氧:它是在主恒星紫外线辐射引发的化学反应中产生的7．Rustamkulovet al。而且Aldersonet al。都在WASP-39b的大气中检测到二氧化硫。这一观测标志着系外行星大气中光诱导(光化学)反应的第一个直接证据，这是寻找真正宜居行星的里程碑。

要探索这种宜居性的极限，还有很多工作要做。然而，这一发现是朝着理解光化学如何保护系外行星表面免受高能辐射迈出的一步。它还加强了对行星形成模型中使用的参数的限制。这两项进展都为未来观测与地球相似的行星铺平了道路。

这些努力的一部分包括分析系外行星大气本身的特征。通过将测量到的化学丰度与几种云模型的化学丰度进行比较，范斯坦et al。确定WASP-39b的云层是沿着昼夜分界线分开的，这条分界线是一颗行星上的白天和黑夜。这种云结构以前曾与其他质量与木星相似的热系外行星有关8．

对JWST数据的进一步分析可以揭示更多关于WASP-39b的形成位置、云的组成和光化学的信息。高分辨率地面观测将对其大气中的化学成分(例如钾和钠)以及与这些化学元素相关的动态过程提供关键约束。事实上，目前在地球上建造的几个超大望远镜对我们了解外星大气很有希望——因为JWST令人印象深刻的灵敏度可以与从地面获得的高光谱和空间分辨率相结合。

SUBHAJIT SARKAR:来自非凡望远镜的非凡数据

大气的化学成分在其“透射光谱”中被揭示出来，它表明了不同波长的光穿透系外行星周围气体的能力。这通常是通过一种被称为过境光谱学的技术来获得的，这种方法涉及到监测当行星凌日其主星时，离散波长的星光强度的变化。虽然这种方法以前曾被用于研究WASP-39b的大气层9目前的论文展示了用JWST获得的数据的卓越精度和质量，揭示了望远镜的巨大潜力-并强调了未来的挑战。

研究中使用的三种仪器的波长范围都在近红外范围内，在这个范围内人们期望找到报告的关键大气分子的光谱特征。但是每个仪器都有不同的配置，可以访问不同的波长范围和光谱分辨率。Rustamkulovet al。男性,艾德森et al。而且ahret al。4使用了两种被称为近红外光谱仪的仪器;范斯坦et al。使用近红外成像仪和无缝隙光谱仪;而且ahret al。5使用一种被称为近红外摄像机的设备。在他们之间，研究小组观察到波长跨度为0.5到5.5微米的光(图1)。

这种巨大的波长覆盖范围使得JWST获得非凡的科学结果成为可能，并且比哈勃太空望远镜的范围要大得多，哈勃太空望远镜此前使用WASP-39b光谱获得了光谱9．JWST的光谱分辨率也比它的前身更强大。此外，JWST的主镜直径为6.5米，而哈勃的主镜直径为2.4米go.nature.com/3jhjfzu) -这一增加提高了信噪比，使仪器具有极高的精度。

为了解释光谱，早就提出了系外行星大气模型10，但没有足够的数据质量来细化和约束这些模型，光谱可以用不同的方式解释。因此，这些研究报告的高质量数据对于确定WASP-39b的细节至关重要——包括从它是如何形成的到它的云是如何表现的一切。

每个仪器都使用了各种数据处理算法来遍历从原始数据到最终频谱的复杂路径。尽管这些努力的结果基本相似，但不同的方法表明，在处理JWST数据的最佳方式上还没有达成共识——实际上，还有很多东西需要学习。在这些初步研究中已经开始解决一些问题，包括如何最好地管理饱和像素1(给出不可靠的信号)，以及当观察过程中镜子片段自发倾斜时该怎么办2．

随着时间的推移，我们对仪器的理解不断提高，将会开发出进一步的解决方案，但作为对JWST性能的首次测试，这些研究的结果非常令人兴奋。这一发现对于系外行星大气层以外的研究也是鼓舞人心的。特别地，WASP-39b的成功显示了JWST提供高质量数据的能力，这将增强我们对早期宇宙、星系和恒星形成的理解，以及对生命的搜索。毫无疑问，JWST将在未来十年兑现其改变天文学——更具体地说，系外行星科学——的承诺。