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尋找隱秘的世界

在 20 世紀(jì) 90 年代初，第一顆系外行星被發(fā)現(xiàn)。而在那之前，我們所知道的行星數(shù)量非常有限，只有那些圍繞在太陽(yáng)周圍的行星。在過(guò)去的三十年里，我們經(jīng)歷了系外行星科學(xué)的一場(chǎng)偉大的革命。到現(xiàn)在，已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的系外行星已超過(guò) 5000 顆，而且這一數(shù)字每周都在增加。

到目前為止，在銀河系中確認(rèn)的 5000 多顆系外行星有著各種各樣的類型，有些與太陽(yáng)系中的行星相似，有些則截然不同。（圖 /NASA/JPL-Caltech）

然而，在這 5000 多顆系外行星中，天文學(xué)家只拍攝到了大約 20 顆，絕大多數(shù)系外行星都是通過(guò)間接方法探測(cè)到的。以目前的技術(shù)，想要直接對(duì)這些系外行星進(jìn)行成像十分困難，因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)行軌道都非常靠近其宿主星，因此它們非常容易被宿主星的耀眼光芒所掩蓋。

現(xiàn)在，天文學(xué)家首次利用韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），直接拍攝到了繞著一顆遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)行的系外行星的圖片。新的圖像表明，JWST 將會(huì)是天文學(xué)家拓展對(duì)系外行星了解的絕佳工具，而且它能做到的，甚至可能比我們預(yù)期的還要好！

系外行星 HIP 65426 b

JWST 所拍攝到的是一顆名為HIP 65426 b的系外行星。2017 年，天文學(xué)家使用位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）發(fā)現(xiàn)了這顆系外行星，并獲得了它在短紅外波段下的圖像。它位于半人馬座，是一顆有著很多特別之處的系外行星。

首先，它距離其宿主星 HIP 65426 很遠(yuǎn)，約是地球到太陽(yáng)距離的 92 倍，是冥王星到太陽(yáng)距離的 2 倍。這一距離能使 JWST 輕易地將它與圖像中的恒星區(qū)分開。

另外，HIP 65426 b 是一個(gè)龐然大物。從過(guò)去的研究中，天文學(xué)家推測(cè)它是太陽(yáng)系中最大行星——木星——質(zhì)量的 6 到 12 倍。不僅如此，天文學(xué)家還從過(guò)去的研究中知道這是一顆有著很高溫度的行星，其云頂溫度至少高達(dá)到 1200 ℃。

這樣的大小和溫度意味著，它是一顆明亮的行星。結(jié)合這些特別之處，HIP 65426 b 成了一個(gè)相對(duì)更容易被直接成像的行星目標(biāo)。

JWST 拍到的畫面

盡管行星 HIP 65426 b 與其宿主星 HIP 65426 之間存在較大的距離，但恒星發(fā)出的光也能輕易將行星的光芒壓制。在近紅外波段，恒星 HIP 65426 要比行星 HIP 65426 b 的光芒明亮一萬(wàn)多倍；在中紅外波段也要明亮數(shù)千倍。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員利用 JWST 上的日冕儀。JWST 的近紅外相機(jī)（NIRCam）和中紅外儀器（MIRI）上都配備了日冕儀，這些日冕儀就像是一組組微小的 " 面罩 "，可以用于物理性地屏蔽星光。

在拍攝系外行星 HIP 65426 b 時(shí)，來(lái)自宿主星 HIP 65426 的光就被遮擋了，使行星在 JWST 的視野中更加明顯。JWST 在不同的紅外光波長(zhǎng)下拍攝了一系列 HIP 65426 b 的照片。在每一張照片中，HIP 65426 b 都清晰可見。

JWST 拍攝的第一張系外行星圖像看起來(lái)像一個(gè)低像素的光點(diǎn)，但它實(shí)際上展示了 JWST 在紅外波段的強(qiáng)大。圖中五角星符號(hào)標(biāo)記的地方，是恒星 HIP 65426 的所在之處，JWST 將其物理性屏蔽了。（圖 /Aarynn Carter, the ERS 1386 team

對(duì)于那些熟悉《星際迷航》、《星球大戰(zhàn)》等科幻作品的人來(lái)說(shuō)，這些照片中所顯示外星世界或許不夠激動(dòng)人心。因?yàn)樵诿繌垐D像中，它看起來(lái)都只像是形狀略有不同的一個(gè)光點(diǎn)，而不是有著絢爛或神秘色彩的陌生星球。

JWST 在多個(gè)紅外波長(zhǎng)（從左到右：3.00µm、4.44µm、11.4µm、15.5µm）下拍攝到的系外行星 HIP 65426 b。（圖 /NASA/ESA/CSA, A. Carter ( UCSC ) , the ERS 1386 team and A. Pagan ( STScI ) ）

雖然它們與科幻作品中的畫面大相徑庭，但卻讓天文學(xué)家激動(dòng)不已。因?yàn)樗鼛?lái)的是在前所未見的波長(zhǎng)下拍攝到的行星圖像，突顯了 JWST 在探測(cè)系外行星方面的巨大威力。

通過(guò)分析 JWST 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員進(jìn)一步確認(rèn)了 HIP 65426 b 的質(zhì)量大約為木星的 7 倍；溫度比之前認(rèn)為的還要高，云頂接近 1400 ℃。這些信息描繪了一個(gè)完全陌生的世界，與太陽(yáng)系中的任何天體都有所不同。

現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將這些結(jié)果提交到了論文預(yù)印網(wǎng)站 arXiv 上，等待經(jīng)過(guò)同行評(píng)審后的發(fā)表。

未來(lái)的指路標(biāo)

新的 HIP 65426 b 的圖像表明，JWST 的表現(xiàn)比預(yù)期要好 10 倍左右。這意味著，JWST 應(yīng)該能夠直接觀測(cè)到比之前預(yù)期的更小的行星，如土星甚至是海王星，而不會(huì)局限于只能觀測(cè)比木星更大的行星。

這樣的結(jié)果是非常鼓舞人心的。因?yàn)樵谔煳膶W(xué)研究中，小的天體比大的天體要多得多。如果 JWST 能夠觀測(cè)到更小、更暗的行星，這將大大增加天文學(xué)家可以研究的目標(biāo)數(shù)量，極大地提高我們對(duì)遙遠(yuǎn)行星系統(tǒng)的科學(xué)認(rèn)知。

除此之外，JWST 的測(cè)量精度表明，關(guān)于這些行星上的大氣信息，我們能了解得比預(yù)期更多。通過(guò)利用 JWST 對(duì)其進(jìn)行反復(fù)觀測(cè)，我們甚至可以揭示大氣隨時(shí)間變化的細(xì)節(jié)。

HIP 65426 b 可能是一顆年齡大約只有 1400 多萬(wàn)年的行星，這與其他行星相比，比如有著 45 億年歷史的地球，是十分年輕的。未來(lái)，天文學(xué)家或許會(huì)著手探究 HIP 65426 b 是如何形成和演化的。

與此同時(shí)，其他天文學(xué)家正計(jì)劃用 JWST 來(lái)研究許多其他系外行星，尤其是那些距離宿主星相對(duì)較遠(yuǎn)、因此可以直接成像的大行星。在接下來(lái)的幾年，我們期待看到更多由 JWST 拍攝到的外星世界的照片。