这一发现标志着在太阳系外寻找适宜居住行星的“重大进展”

研究:JWST/NIRISS揭示了GJ 9827 d富含水的“蒸汽世界”大气(DOI: 10.3847/2041-8213/ad6f00)

在近100光年之外，有一颗我们从未见过的行星。根据最新研究，这颗名为GJ 9827 d的行星约为地球的两倍，其大气几乎完全由水蒸气构成。

“这是我们第一次观察到这样的现象，”埃山·劳尔(Eshan Raul)表示，他在密歇根大学本科期间分析了詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope，简称JWST)关于GJ 9827 d的数据。“需要强调的是，这颗行星至少不适合我们在地球上所熟悉的生命形式。它的主要成分是热水蒸气，因此我们称之为‘蒸汽世界’。”

天文学家理论上已经确认了这类行星的存在，但此次研究首次通过观测证实了蒸汽世界的存在。尽管GJ 9827 d不可能支持我们已知的生命形式，但其独特的大气层为研究其他小行星及其生命孕育潜力开辟了新的可能性。

这项研究由蒙特里萨大学Trottier系外行星研究所的卡洛琳·皮奥莱特-戈拉耶布领导，研究团队使用了一种称为透射光谱的技术来测量GJ 9827 d的大气成分。透射光谱可以测量行星大气对不同波长或颜色的星光的吸收程度。

皮奥莱特-戈拉耶布指出，迄今为止，几乎所有具有大气层的系外行星主要由最轻的元素——氢和氦构成，类似于我们太阳系中的气态巨行星木星和土星。这意味着它们与地球上适宜生命的环境有显著差异。

她表示：“GJ 9827 d是我们发现的第一颗拥有重分子大气层的类地行星。这是一个巨大的进步。”

她补充说，一旦确认了这类行星，科学家们就可以在未来寻找生命的迹象。

密歇根大学的天体物理学家、美国国家航空航天局萨根研究员瑞安·麦克唐纳表示，对生命的广泛探索吸引了许多研究人员进入这一领域，并将继续吸引更多人。如今，JWST为科学发现提供了无与伦比的工具。

麦克唐纳提到：“即使在2022年JWST的早期观测中，研究人员也发现了对遥远气体巨星大气的新见解。”

然而，研究由轻气体（如氢气）构成的大气在技术上要比探测由重分子（如GJ 9827 d上观察到的水蒸气）构成的大气要简单得多。

麦克唐纳表示：“现在我们终于能够深入研究这些介于地球和海王星之间的神秘世界，它们在我们自己的太阳系中没有任何例子，实际上是由什么构成的。这是未来几年探测可居住系外行星大气的关键一步。”

团队合作让蒸汽世界梦想成真

在这项研究之前，GJ 9827 d并非完全未知。开普勒太空望远镜于2017年首次发现了它。今年早些时候，哈勃太空望远镜在这颗行星的大气中发现了水蒸气的迹象。

然而，探测到大气中水蒸气的迹象与确认大气毫无疑问地被水蒸气覆盖是有很大区别的。

为了做出这一确认，研究团队利用JWST的近红外成像仪和无缝隙光谱仪(NIRISS)的新观测结果。当GJ 9827 d从其恒星前经过或凌日时，研究小组使用JWST捕捉了穿过其大气层的光谱。

密歇根大学的项目团队是两个独立工作小组之一，他们确定了大气成分会导致观测到的光谱。在密歇根大学，劳尔使用麦克唐纳开发的软件进行大气分析。这个过程被称为大气检索，劳尔在研究蒸汽世界的解释之前，生成了数百万个模型大气。

这意味着劳尔是最早看到蒸汽世界存在直接证据的人之一。

“那是一个非常超现实的时刻，”劳尔说，他现在正在威斯康星大学麦迪逊分校攻读博士学位。“我们专门寻找水世界，因为我们假设它们可能存在。如果这些都是真的，那你真的会想知道外面还有什么。”

他邀请读者们继续关注JWST，因为它为我们更深入地了解我们之外的世界打开了大门。GJ 9827 d可能最终代表了我们银河系中最常见的行星类型之一。

劳尔表示：“在我职业生涯的这个阶段，能够从有史以来最强大的望远镜上处理这些数据，我相信这表明，对于年轻人来说，现在是进入天文学的最佳时机。”

麦克唐纳对此表示赞同。

“每隔几个月，系外行星天文学就会有新的突破，”他说。“我们仍然只是触及了顶级问题的表面，因此发现的空间非常广阔。”