JWST的MIRI观测到WASP-107b大气中的水蒸气、二氧化硫和沙云。
由MPIA研究人员共同领导的欧洲天文学家团队利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）最近进行的观测来研究附近系外行星WASP-107b的大气层。通过深入观察其蓬松的大气层，他们发现了水蒸气、二氧化硫，甚至硅酸盐沙云。这些粒子存在于动态大气中，该大气表现出物质的剧烈传输。
WASP-107b是一颗独特的气态系外行星，它围绕着一颗比太阳稍冷、质量更小的恒星运行。这颗行星的质量与海王星相似，但它的大小要大得多，几乎接近木星的大小。与太阳系内的气态巨行星相比，这一特性使WASP-107b相当“蓬松”。它使天文学家能够比木星这样的太阳系巨行星的探索深度更深入50倍。
韦伯的中红外仪器揭示了化学成分
欧洲天文学家团队充分利用了这颗系外行星的非凡蓬松性，用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）上的中红外仪器（MIRI）对其进行观察。这个机会打开了一扇窗户，可以深入观察其大气层，解开其复杂的化学成分。这背后的原因相对简单：与更紧凑的大气相比，信号或光谱特征在密度较低的大气中要突出得多。他们最近发表在《自然》杂志上的研究揭示了水蒸气、二氧化硫（SO2）和硅酸盐云的存在，但值得注意的是，没有温室气体甲烷（CH4）的痕迹。
这些探测为这颗迷人的系外行星的动力学和化学特性提供了至关重要的见解。首先，甲烷的缺乏暗示了内部可能温暖，为地球大气中热能的传输提供了诱人的一瞥。其次，二氧化硫（以烧焦火柴的气味而闻名）的发现是一个重大惊喜。先前的计算预测了它的不存在，但WASP-107b大气层的新气候模型现在表明，其蓬松的性质适应了二氧化硫的形成。尽管它相当冷的主星发出的高能光子比例相对较小，但它们可以深入到行星的大气层中。这种情况使产生二氧化硫所需的化学反应成为可能。
WASP-107b的天气报告预测沙云
但这还不是他们发现的全部。与无云情景下相比，二氧化硫和水蒸气的光谱特征显着减弱。高空云层部分遮挡了大气中的水蒸气和二氧化硫。虽然由不同物质组成的云已经通过间接方式在其他系外行星上推断出来，但这标志着天文学家首次能够明确识别其化学成分。在这种情况下，云由小的硅酸盐颗粒组成，这是一种在世界许多地方发现的熟悉的物质，是沙子的主要成分。
“JWST正在彻底改变系外行星的特征，以惊人的速度提供前所未有的见解，”鲁汶大学的主要作者Leen Decin说。“JWST的MIRI仪器在这颗蓬松的系外行星上发现了沙子、水和二氧化硫云，这是一个关键的里程碑。它重塑了我们对行星形成和演化的理解，为我们自己的太阳系提供了新的曙光。
来自德国海德堡马克斯普朗克天文研究所（MPIA）的合著者保罗·莫里埃（Paul Mollière）对此表示赞同：“JWST的价值怎么强调都不为过：无论我们用这台望远镜看哪里，我们总能看到一些新的和意想不到的东西。这个最新的结果也不例外。
硅酸盐液滴的奇异大气循环
与地球大气层相比，水在低温下结冰，硅酸盐颗粒可以冻结在温度达到 1000 摄氏度左右的气态行星中形成云。然而，在WASP-107b的情况下，外层大气变得高达大约500摄氏度，传统模型预测这些硅酸盐云应该在大气层深处形成，那里的温度要高得多。此外，高空沙云会下雨到下层。那么，这些沙云怎么可能存在于高海拔地区并继续存在呢？
“我们在大气层中看到这些沙云这一事实一定意味着沙雨滴在更深、非常热的层中蒸发。由此产生的硅酸盐蒸气被有效地提升，“来自SRON（荷兰空间研究所）的主要作者Michiel Min解释说。“在这里，它们再次凝结形成硅酸盐云。这类似于地球的水蒸气和云循环，但有沙滴。这种通过垂直运输的连续升华和凝结循环是WASP-107b大气中沙云持续存在的原因。
JWST和MIRI是探索系外行星大气层的有力工具
“MPIA很自豪能够为MIRI提供关键元素，”MIRI联合PI兼MPIA主任Thomas Henning说。“其中包括MIRI光度计和光谱仪的滤光片轮，以及定位波长选择元件的机制，这些元素产生了包含化学特征的光谱。MPIA的工作人员还支持MIRI的地面和飞行测试。
“我们与欧洲和美国的同事一起，制造和测试MIRI仪器已有近20年的历史。看到我们的仪器解开这颗有趣的系外行星的大气层，这是值得的，“鲁汶大学的仪器专家和MIRI联合PI Bart Vandenbussche说。
MPIA科学家和观测计划的Co-IJeroen Bouwman补充说：“这项研究结合了JWST观测的几项独立分析的结果，代表了多年来不仅在构建MIRI仪器方面投入的工作，而且在校准和分析工具方面投入了MIRI的观测数据。
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