一位藝術家對溫暖的系外行星WASP-80 b的渲染，由于缺乏高空云層和美國國家航空航天局的斯韋詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現的大氣甲烷的存在，它的伯太顏色在人眼看來可能呈藍色，類似于我們太陽系的空望天王星和海王星。圖片來源:uux.cn/美國國家航空航天局。遠鏡
（神秘的系外行星地球uux.cn）據美國國家航空航天局（撒迪厄斯·切薩里）：詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀測了系外行星WASP-80 b，當它經過其主星前后時，詹姆揭示了含有甲烷氣體和水蒸氣的斯韋大氣光譜。盡管迄今為止已經在十幾顆行星上檢測到了水蒸氣，伯太但直到最近，空望甲烷——一種在我們太陽系內的遠鏡木星、土星、系外行星天王星和海王星的詹姆大氣中大量存在的分子——在利用天基光譜研究過境系外行星的大氣中仍然難以捉摸。
來自灣區環境研究所(BAERI)的斯韋Taylor Bell在加州硅谷的美國國家航空航天局艾姆斯研究中心工作，來自亞利桑那州立大學的伯太Luis Welbanks告訴我們更多關于在系外行星大氣中發現甲烷的意義，并討論了Webb觀測如何促進了這種長期以來備受追捧的分子的識別。這些發現最近發表在《自然》雜志上。
“WASP-80 b的溫度約為825開爾文(約1025華氏度)，科學家稱之為‘溫暖的木星’，這些行星的大小和質量與我們太陽系中的木星相似，但溫度介于熱木星(如1450K(2150 F)的HD 209458 b(發現的第一顆凌日系外行星))和冷木星(如我們的木星，約為125 K (235 F))之間。”
“WASP-80 b每三天繞其紅矮星一周，位于天鷹座，距離我們163光年。因為這顆行星離它的恒星如此之近，而兩者都離我們如此之遠，所以即使是像韋伯這樣最先進的望遠鏡，我們也無法直接看到這顆行星。相反，研究人員使用凌日法(已被用于發現大多數已知的系外行星)和日食法來研究恒星和行星的組合光。
“使用凌日方法，當行星從我們的角度移動到其恒星前面時，我們觀察到了該系統，導致我們看到的星光變暗了一點。這有點像有人從一盞燈前走過，燈光變暗。”
“在這段時間里，圍繞行星白天/夜晚邊界的行星大氣層的一個薄環被恒星照亮，在行星大氣層中分子吸收光線的某些顏色的光線下，大氣層看起來更厚，阻擋了更多的星光，與大氣層看起來透明的其他波長相比，導致了更深的變暗。這種方法通過觀察哪些顏色的光被阻擋，幫助我們這樣的科學家了解行星的大氣層是由什么組成的。”
“與此同時，使用日食方法，當行星從我們的角度經過其恒星后面時，我們觀察到了該系統，導致我們接收到的總光量再次出現小幅下降。所有物體都會發出一些光，稱為熱輻射，發出的光的強度和顏色取決于物體的溫度。”
“就在日食前后，這顆行星炎熱的一面指向我們，通過測量日食期間光線的下降，我們能夠測量這顆行星發出的紅外光。對于月食光譜，行星大氣中分子的吸收通常表現為行星發射的特定波長的光減少。此外，由于這顆行星比它的主星小得多，也冷得多，所以日食的深度比凌日的深度小得多。”

從美國國家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的NIRCam的無縫光譜模式測量WASP-80 b的過境光譜(上)和日食光譜(下)。在這兩種光譜中，有明顯的證據表明從水和甲烷中吸收，其貢獻用彩色輪廓表示。在凌日期間，行星從恒星前面經過，在凌日光譜中，分子的存在使行星的大氣層阻擋了更多特定顏色的光，導致這些波長的光線變暗。在日食期間，行星從恒星后面經過，在這個日食光譜中，分子吸收了行星發出的一些特定顏色的光，導致日食期間的亮度下降比凌日小。圖片來源:uux.cn/貝里/美國國家航空航天局/泰勒·貝爾。
“我們最初的觀察需要轉換成我們稱之為光譜的東西；這基本上是一種測量方法，顯示不同顏色(或波長)的光有多少被地球大氣層阻擋或發射。有許多不同的工具可以將原始觀察結果轉化為有用的光譜，因此我們使用了兩種不同的方法來確保我們的發現對不同的假設具有魯棒性。”
“接下來，我們使用兩種模型來解釋這個光譜，以模擬在這種極端條件下行星的大氣是什么樣子。第一種模型非常靈活，它嘗試了數百萬種甲烷、水含量和溫度的組合，以找到與我們的數據最匹配的組合。第二種類型稱為“自洽模型”，也探索了數百萬種組合，但使用我們現有的物理和化學知識來確定預期的甲烷和水的水平。”
"兩種模型都得出了相同的結論:明確檢測到了甲烷."
“為了驗證我們的發現，我們使用穩健的統計方法來評估我們檢測到隨機噪聲的概率。在我們的領域，我們認為“黃金標準”是所謂的“5-sigma檢測”，這意味著由隨機噪聲引起的檢測概率是170萬分之一。與此同時，我們在凌日和月食光譜中都檢測到了6.1西格瑪的甲烷，這使得每次觀測中出現虛假檢測的幾率為9.42億分之一，超過了5西格瑪的“黃金標準”，增強了我們對兩次檢測的信心。”
“有了這樣一個自信的探測，我們不僅發現了一個非常難以捉摸的分子，而且我們現在可以開始探索這種化學成分告訴我們關于行星的誕生、生長和進化的信息。例如，通過測量行星中甲烷和水的含量，我們可以推斷出碳原子和氧原子的比例。”
“這個比例預計會根據行星在其系統中形成的時間和地點而變化。因此，檢查這種碳氧比可以提供線索，說明在逐漸向內移動之前，行星是在其恒星附近還是更遠的地方形成的。”
“這項發現讓我們興奮的另一件事是，我們終于有機會將太陽系以外的行星與太陽系內的行星進行比較。美國國家航空航天局有向太陽系中的氣態巨行星發射宇宙飛船的歷史，以測量它們大氣層中甲烷和其他分子的含量。現在，通過對系外行星中相同氣體的測量，我們可以開始進行‘蘋果對蘋果’的比較，看看太陽系的預期是否與我們在太陽系外看到的相符。”
“最后，當我們和韋伯一起展望未來的發現時，這個結果告訴我們，我們正處在更令人興奮的發現的邊緣。利用韋伯對WASP-80 b進行的額外的MIRI和NIRCam觀測將使我們能夠探索不同波長光的大氣特性。我們的發現讓我們認為，我們將能夠觀察到一氧化碳和二氧化碳等其他富含碳的分子，使我們能夠更全面地描繪這顆行星大氣的狀況。”
“此外，隨著我們在系外行星中發現甲烷和其他氣體，我們將繼續擴展我們的知識，了解化學和物理如何在不同于地球的條件下發揮作用，也許不久的將來，在其他行星上，我們會想起我們在家里擁有的東西。有一點是明確的——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發現之旅充滿了潛在的驚喜。”

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