韦伯拍摄距离超级木星最近的照片为系外行星研究打开新窗口

由MPIA领导的天文学家团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)拍摄了一颗新的系外行星，该行星围绕附近三星系统EpsilonIndi中的一颗恒星运行。这颗行星是一颗寒冷的超级木星，温度约为0摄氏度，轨道宽阔，与海王星绕太阳运行的轨道相当。

这项测量之所以能够实现，要归功于詹姆斯·韦伯太空望远镜前所未有的热红外成像能力。它表明，我们有可能发现更多质量、温度和轨道与木星相似的行星。研究它们将提高我们对气态巨行星如何形成和随时间演化的认识。

德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所研究员伊丽莎白·马修斯表示：“当我们意识到我们拍摄到了这颗新行星的图像时，我们非常兴奋。”她是发表在《自然》杂志上的基础研究论文的主要作者。

马修斯指出：“令我们惊讶的是，MIRI图像中出现的亮点与我们预期的行星位置不符。先前的研究正确地确定了该系统中的一颗行星，但低估了这颗超级木星气态巨行星的质量和轨道分离。”在詹姆斯·韦伯太空望远镜的帮助下，该团队得以澄清事实。

这次探测在多个方面都非常不寻常。它展示了JWST拍摄的第一颗系外行星，该行星此前从未在地面拍摄过，而且比JWST迄今为止研究过的气态行星要冷得多。“图像”意味着行星在图像上显示为一个亮点，因此是直接证据。凌日法和径向速度法是间接证据，因为行星只能通过其间接效应来揭示自己。

JWST观测结果更新了之前的测量结果

这颗行星围绕着附近三星系统的主要组成部分EpsilonIndi(简称EpsInd)旋转。天文学标记惯例将EpsIndA标记为该主恒星，这是一颗比太阳略小且温度更低的红矮星。为了构造行星的名称，在后面加上一个“b”，从而得到EpsIndAb的名称。

这段变焦视频以恒星EpsIndA为中心的天空广角视图开始，以詹姆斯韦伯太空望远镜的MIRI成像仪拍摄的EpsIndAb图像结束。图片来源：T.Müller(MPIA/HdA)、E.Matthews(MPIA)

JWST的新数据与超级木星相符，超级木星的质量是太阳系中木星的六倍。EpsIndAb绕其主星运行，轨道偏心，呈椭圆形，与EpsIndA的最远距离应在20到40个天文单位之间。

一个天文单位是地球与太阳之间的平均距离，约为1.5亿公里。新值与之前的研究结果相差甚远，因此该团队选择将其称为“新”行星。

凉爽的行星，热门的科学

迄今为止，已知的围绕太阳时代恒星运转的冷气态巨行星只有少数，而且这些行星都是通过径向速度测量间接推断出来的。通过对行星进行成像和光谱测量，天文学家可以研究它们的大气层，并根据计算模型追踪行星系统的演化。

研究完全稳定的行星系统中的行星有助于解决有关行星演化后期阶段的遗留问题，并完善我们对行星形成和演化的总体理解。

最近的观测为发现更多此类冷气态巨行星铺平了道路。这将使天文学家能够研究一类新的系外行星，并将它们与太阳系气态巨行星进行比较。

如何探测冷气体行星

然而，使用传统的探测方法很难找到这些行星。远离主恒星的行星通常非常冷，不像热木星那样以仅几个恒星半径的间隔绕恒星运行。宽轨道极不可能沿着视线排列以产生凌日信号。此外，当只能监测轨道的一小部分时，用径向速度法测量它们的信号具有挑战性。

早期研究尝试使用径向速度测量来研究围绕EpsIndA运行的巨行星。然而，推断轨道的一小部分会导致对该行星特性得出错误的结论。毕竟，EpsIndAb需要大约200年才能绕其恒星运行。几年的观测不足以高精度地确定轨道。

因此，马修斯的团队想出了一种不同的方法。他们想用一种通常被称为直接成像的方法拍摄这颗已知行星的照片。由于系外行星的主恒星非常明亮，它们比附近的任何其他物体都更耀眼。普通相机会被耀眼的星光淹没。

为此，该团队采用了JWST的MIRI(中红外仪器)相机，该相机配备了日冕仪。这种遮光罩像人造日食一样覆盖了恒星。另一个优势是EpsInd距离地球只有12光年。与恒星的距离越小，图像中两个物体之间的距离就越大，从而更有可能减轻主恒星的干扰。MIRI是完美的选择，因为它在热或中红外波段进行观测，而冷物体会发出明亮的光芒。

我们对EpsIndAb了解多少?

马修斯说：“我们在数据中发现了一个与预期系外行星不符的信号。”图像中的光点不在预测的位置。“但这颗行星仍然看起来像一颗巨行星，”马修斯补充道。然而，在做出这样的评估之前，天文学家必须排除信号来自与EpsIndA无关的背景源的可能性。

“确定总是很难，但从数据来看，该信号来自河外背景源的可能性很小，”另一位MPIA科学家、该研究论文的合著者LeindertBoogaard解释道。

事实上，在浏览天文数据库中有关EpsInd的其他观测结果时，该团队偶然发现了2019年使用欧洲南方天文台(ESO)甚大望远镜(VLT)上的VISIR红外摄像机获得的图像数据。在重新分析图像后，该团队在JWST拍摄的源属于恒星EpsIndA时，恰好在它应该出现的位置发现了一个暗淡的物体。

科学家们还试图根据现有的三种颜色的行星图像来了解这颗系外行星的大气层：两张来自JWST/MIRI，一张来自VLT/VISIR。EpsIndAb在短波下比预期的要暗。这可能表明存在大量的重元素，特别是碳，碳构成了甲烷、二氧化碳和一氧化碳等分子，这些分子通常存在于气态巨行星中。或者，它可能表明这颗行星有云层大气层。然而，还需要做更多的工作才能得出最终结论。

计划和前景

这项工作只是表征EpsIndAb的第一步。MPIA名誉主任、MIRI仪器的联合PI以及本文的合著者ThomasHenning表示：“我们的下一个目标是获得能够为我们提供地球气候和化学成分详细指纹的光谱。”

马修斯说：“从长远来看，我们希望观察附近的其他行星系统，寻找可能未被发现的冷气态巨行星。这样的调查将成为更好地了解气态行星如何形成和演化的基础。”

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