WASP-107b：韋伯太空望遠鏡破解膨脹系外行星案例 _美國

據美國宇航局：為什么溫暖的氣體巨行星WASP-107b如此膨脹？兩個獨立的研究小組得出了答案。
使用美國國家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡收集的數據，再加上美國國家航空宇航局哈勃太空望遠鏡先前的觀測結果，顯示該行星大氣層中甲烷（CH4）少得驚人，這表明WASP-107 b的內部一定比之前估計的要熱得多，核心的質量也比以前估計的要大得多。
這種出乎意料的高溫被認為是由該行星略微非圓形的軌道引起的潮汐加熱的結果，可以解釋WASP-107 b是如何在不訴諸極端理論的情況下膨脹的。
韋伯非凡的靈敏度和測量穿過系外行星大氣層的光的能力使這一結果成為可能，這可能解釋了數十顆低密度系外行星的膨脹，有助于解開系外行星科學中一個長期存在的謎團。

根據美國國家航空航天局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡最近收集的數據，以及美國國家航空宇航局哈勃太空望遠鏡和其他天文臺之前的觀測結果，這位藝術家的概念展示了溫暖的海王星系外行星WASP-107 b的樣子。哈勃的WFC3（寬視場相機3）、韋伯的NIRCam（近紅外相機）、韋伯的NIRSpec（近紅外光譜儀）和韋伯的MIRI（中紅外儀器）捕捉到的觀測結果表明，這顆行星有一個相對較大的核心，周圍環繞著相對較小質量的氫氣和氦氣，由于內部的潮汐加熱，氫氣和氦氣已經膨脹。來源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）
WASP-107 b的問題
“暖海王星”系外行星WASP-107 b的體積超過木星的四分之三，但質量不到木星的十分之一，是已知密度最小的行星之一。雖然膨脹的行星并不罕見，但大多數都更熱、質量更大，因此更容易解釋。
亞利桑那州立大學（ASU）的路易斯·韋爾班克斯（Luis Welbanks）是今天發表在《自然》雜志上的一篇論文的主要作者，他解釋道：“根據其半徑、質量、年齡和假設的內部溫度，我們認為WASP-107 b有一個非常小的巖石核心，周圍環繞著大量的氫和氦。” 。“但很難理解這樣一個小的核心是如何吸收如此多的氣體，然后無法完全成長為木星質量的行星的。”
如果WASP-107 b的核心有更多的質量，那么隨著行星形成后的時間推移，大氣應該會隨著冷卻而收縮。如果沒有熱源使氣體重新膨脹，地球應該會小得多。盡管WASP-107 b的軌道距離只有500萬英里（水星和太陽之間距離的七分之一），但它從恒星獲得的能量不足，無法膨脹。
約翰斯·霍普金斯大學的David Sing說：“WASP-107 b對韋伯來說是一個非常有趣的目標，因為它比我們一直在研究的許多其他低密度行星，即熱木星，溫度要低得多，質量也更像海王星。” 。“因此，我們應該能夠探測到甲烷和其他分子，這些分子可以為我們提供有關其化學和內部動力學的信息，而這些信息是我們從更熱的星球上無法獲得的。”
大量以前無法檢測到的分子
WASP-107 b的巨大半徑、擴展的大氣層和軌道邊緣使其成為透射光譜的理想選擇，透射光譜是一種根據它們對星光的影響來識別系外行星大氣層中各種氣體的方法。
結合韋伯的NIRCam（近紅外相機）、韋伯的MIRI（中紅外儀器）和哈勃的WFC3（寬視場相機3）的觀測結果，韋爾班克斯的團隊能夠構建出被WASP-107 b大氣層吸收的0.8至12.2微米的寬光譜。Sing的團隊使用Webb的NIRSpec（近紅外光譜儀）建立了一個覆蓋2.7至5.2微米的獨立光譜。
數據的準確性不僅可以檢測，而且可以實際測量大量分子的豐度，包括水蒸氣（H2O）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和氨（NH3）。

這張透射光譜是用美國國家航空航天局的哈勃和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的，顯示了氣態巨系外行星WASP-107 b大氣層阻擋的不同波長（顏色）的星光量。該光譜包括使用總共三種不同儀器在四次獨立觀測中收集的光：哈勃的WFC3（寬視場相機3）Grism光譜儀為綠色，韋伯的NIRCam（近紅外相機）Grism分光儀為橙色，韋伯的MIRI（中紅外儀器）低分辨率分光儀為粉紅色。這一光譜顯示了地球大氣層中存在水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）和氨（NH4）的明確證據，使研究人員能夠估計核心的內部溫度和質量。插圖：美國國家航空航天局、歐空局、加拿大航天局、Ralf Crawford（STScI）科學：L.Welbanks（ASU）和JWST MANATEE團隊

這張透射光譜是使用韋伯的NIRSpec（近紅外光譜儀）明亮物體光譜儀拍攝的，顯示了被氣態巨系外行星WASP-107 b大氣層阻擋的不同波長（顏色）的近紅外星光的數量。該光譜顯示了行星大氣層中存在水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）和二氧化硫（SO2）的明確證據，使研究人員能夠估計內部溫度和核心質量。插圖：美國國家航空航天局、歐空局、加拿大航天局、拉爾夫·克勞福德（STScI）科學：D.Sing（JHU）和NIRSpec GTO凌日系外行星團隊
沸騰氣體、內部高溫和塊狀堆芯
這兩個光譜都顯示出WASP-107 b大氣中甲烷的驚人缺乏：是基于其假設溫度的預期量的千分之一。
Sing解釋道：“這證明了來自行星深處的熱氣一定與更高的較冷層劇烈混合。” 。“甲烷在高溫下是不穩定的。盡管我們確實檢測到了其他含碳分子，但我們檢測到的如此之少，這一事實告訴我們，地球內部一定比我們想象的要熱得多。”
WASP-107 b額外內能的一個可能來源是其略微橢圓的軌道引起的潮汐加熱。隨著恒星和行星之間的距離在5.7天的軌道上不斷變化，引力也在變化，拉伸行星并使其升溫。
研究人員此前曾提出，潮汐加熱可能是WASP-107 b浮腫的原因，但在韋伯研究結果出來之前，還沒有證據。
一旦他們確定這顆行星有足夠的內部熱量來徹底攪亂大氣層，研究小組就意識到，光譜也可以提供一種新的方法來估計核心的大小。
JHU的Daniel Thorngren解釋道：“如果我們知道行星中有多少能量，知道行星中碳、氮、氧和硫等較重元素的比例，以及氫和氦的比例，我們就可以計算出核心必須有多少質量。” 。
事實證明，核心的質量至少是最初估計的兩倍，這對行星的形成方式更有意義。
總之，WASP-107 b并不像它曾經出現的那樣神秘。
ASU的Mike Line解釋道：“Webb數據告訴我們，像WASP-107 b這樣的行星不必以某種奇怪的方式形成超小的核心和巨大的氣體外殼。” 。“相反，我們可以采取更像海王星的東西，有很多巖石，沒有那么多氣體，只需調高溫度，然后把它調高，看起來像這樣。”
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界上首屈一指的空間科學天文臺。韋伯正在解開我們太陽系中的謎團，展望其他恒星周圍的遙遠世界，探索我們宇宙的神秘結構和起源以及我們在其中的位置。韋伯是由美國國家航空航天局及其合作伙伴歐空局和加拿大航天局領導的一個國際項目。