韦布空间望远镜（James Webb SpaceTelescope，JWST）的图像和光谱仪（棱镜光谱仪NIRSPEC和无缝光谱仪NIRISS），今年在探索系外行星大气成分方面大有斩获。由于这些仪器的高灵敏度，即使来自系外行星的光可能受到明亮的恒星光的背景干扰，天文学家也可以从中提取出微弱的行星大气信号。在包括著名的系外行星WASP-39b在内的多个行星中，观测到了氢、氦、磷、水、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等行星大气中的原子和分子成分，人类向了解这些系外行星中是否存在生物可能宜居的候选体迈出了巨大一步。JWST的不同设备对于WASP-39b观测结果所产生的几篇文章已发表在2023年1月刊的《自然》杂志上。
当来自恒星（如太阳）的光从行星（如地球）的大气中穿过时，由于行星表面的大气成分不同，通过观测其光谱可以推测出行星大气的气体成分和性质，如行星的结构、成分、温度、气压等，为进一步判断其是否宜居提供关键证据。
比如，观测到的化学成分甲烷，到底是由于生物活动产生的，还是该行星的地质活动（如火山爆发）等非生物活动造成，也需要更多的数据和模型来支持论证。
作为JWST首批释放的观测目标之一，系外行星WASP-39b，因其大气中发现了大量的水分子而备受关注。水是人类这种碳基生物最重要的组分之一，也是演化至今不可或缺的一环，大气中的水蒸气代表了该行星存在液态水，即演化出生命的可能。WASP-39b是一颗巨大的气态行星，绕转着一颗温度约1100开尔文的恒星，位于室女座天区，距地球约700光年。WASP-39b的质量大约是木星的28%，大小却有木星的1.27倍。作为一颗密度非常低的热木星，其行星大气也备受关注。
今年以来，这颗特别的系外行星获得了JWST的更多后续观测，包括第一次在系外行星中直接探测到光化学过程的产物。利用JWST的NIRSPEC光谱仪，科学家在WASP-39b的大气中第一次探测到了二氧化硫（SO2）的吸收线。要产生二氧化硫线需要首先从硫化氢（H2S）中剥离硫，之后经过系列氧化形成，即典型的光化学过程。
自2011年被发现以来，已经率先在WASP-39b的大气中发现了二氧化碳和二氧化硫等分子成分，均是在太阳系外的行星中的首次发现，预示了其复杂的化学过程。由于二氧化硫对于大气中的重元素成分比较敏感，可以被用于揭示大气的丰度（即重元素的含量）。要进一步确认二氧化硫的存在和物理性质，JWST现有的观测可能还不够，未来更多的紫外和红外数据也许可以提供更多的二氧化硫证据。
观测到行星大气中的化学成分仅仅是第一步，接下来需要揭密的是这些大气中的分子如何相互作用，并进一步影响到行星的环境。对行星大气的成分和动力学研究，是科学家迈出的寻找宜居星球的重要一步。寻找地球之外遥远行星中生命的旅程，现在才刚刚开始。
本文节选自《中国国家天文》杂志2023年12月刊。
作者简介：
苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究兴趣为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及全国优秀科普微视频一等奖等奖项。
戴昱，国家天文台研究员，博士生导师。研究方向为星系的形成与演化，主要工作集中在利用多波段特别是红外数据对大质量黑洞和宿主星系的观测研究。
原标题：2023年天文学十大进展之韦布空间望远镜展现强大能力