在JWST/MIRI的图像上只有一个光点可见。尽管如此，初步分析表明存在一颗可能具有与木星相似特性的气态行星。图片来源:T.米
研究人员使用JWST拍摄了一张新的Eps Ind Ab图像，这是一颗超级木星，其轨道距离比之前估计的要大得多。
这一发现突出了一颗比通常观测到的更冷的系外行星——舞会PTS是免费的。它的质量和轨道的估值，同时也为通过直接成像和光谱分析研究遥远的冷气体巨星提供了一种新的方法。
对一颗新的系外行星进行成像
“当我们意识到我们拍到了这颗新行星的照片时，我们很兴奋，”德国海德堡马克斯·普朗克天文学研究所的研究员伊丽莎白·马修斯说。她是今天(7月24日)发表在《自然》杂志上的这篇基础研究文章的主要作者。马修斯指出:“令我们惊讶的是，在我们的MIRI图像中出现的亮点与我们预期的行星位置不符。”“以前的研究已经正确地确定了这个系统中的一颗行星，但低估了这颗超级木星气体巨星的质量和轨道距离。”在JWST的帮助下，该团队得以澄清事实。
这种检测在几个方面是非常不寻常的。它显示了JWST拍摄的第一颗系外行星，它还没有从地面拍摄过，而且比JWST迄今为止研究过的气体行星要冷得多。“图像”意味着该行星在图像上显示为一个亮点，因此代表了直接证据。凌日和径向速度方法是间接证据，因为行星只能通过其中介效应来显示自身。
插入部分显示了在中红外波长10.65(左)和15.55微米(右)处获得的MIRI图像的裁剪版本，这些图像描绘了恒星Eps Ind A周围的区域，其位置由星号表示。日冕仪阻挡了来自恒星的光线，这些光线会使两幅图像都黯然失色。相反，一个新的对象将在左上角可见。这个来源是系外行星Eps Ind Ab。背景是由AllWISE天空调查获得的。图片来源:T.米
Eps - Ind - Ab轨道及特性综述
这颗行星围绕着附近的三星系统Epsilon indii(简称Epsilon indii)的主要组成部分旋转。天文学上的标记惯例将这颗主星，一颗比太阳小一点，温度也低一点的红矮星，命名为Eps Ind A。为了构造这颗行星的名字，在后面加了一个“b”，因此它被命名为Eps Ab。
新的JWST数据与超级木星的质量是太阳系木星质量的六倍一致。Eps Ind Ab在一个偏心的椭圆轨道上绕着它的主星运行，它与Eps Ind A的最远距离应该在20到40个天文单位之间。一个天文单位是地球和太阳之间的平均距离，大约是1.5亿公里。新的数值与早期的研究有很大的不同，这就是为什么研究小组选择将其称为“新”行星的原因。
这个变焦视频以广角视角的天空开始，以恒星Eps Ind a为中心，以JWST的MIRI成像仪获得的Eps Ind Ab图像结束。图片来源:T.米
冷行星，热科学
迄今为止，只有少数几个围绕太阳年龄恒星运行的冷气体巨行星是已知的，这些行星都是通过径向速度测量间接推断出来的。通过行星的成像和光谱，天文学家可以研究它们的大气，并与计算模型相比，追踪行星系统的演变。在完全确定的行星系统中研究行星，有助于理清有关行星演化后期的松散问题，并完善我们对行星形成和演化的总体理解。
最近的观测指引我们找到更多这样的低温气体巨行星。这将使天文学家能够研究一类新的系外行星，并将它们与太阳系的气态巨行星进行比较。
探测遥远系外行星的挑战
然而，用传统的探测方法很难发现这些行星。远离主星的行星通常非常寒冷，不像热木星，它们围绕恒星旋转，距离只有几个恒星半径。宽轨道极不可能沿着视线排列，从而产生凌日信号。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是具有挑战性的。
早期的研究试图利用径向速度测量来调查一颗围绕Eps Ind a运行的巨大行星。然而，对一小部分轨道的推断导致了对这颗行星性质的错误结论。毕竟，小行星Ab需要大约200年的时间来围绕它的恒星运行。几年的观测不足以高精度地确定轨道。
利用先进技术进行直接成像
因此，马修斯周围的团队设计了一种不同的方法。他们想用一种通常被称为直接成像的方法来拍摄这颗已知行星的照片。由于系外行星的宿主恒星非常明亮，它们比附近的任何物体都要亮。普通的相机会被眩目的星光淹没。
因此，研究小组使用了配备日冕仪的JWST中红外相机(MIRI)。这个遮挡光线的面具像人造日食一样覆盖着恒星。另一个优势是它离地球很近，只有12光年。与恒星的距离越小，图像中出现的两个物体之间的距离就越大，这就提供了更好的机会来减轻主恒星的干扰。MIRI是完美的选择，因为它在热红外或中红外波段进行观测，在那里冷物体发出明亮的光。
我们知道什么关于Eps Ind Ab?
“我们在数据中发现了一个与预期的系外行星不匹配的信号，”马修斯说。图像中的光点不在预测的位置。“但这颗行星看起来仍然是一颗巨大的行星，”马修斯补充道。然而，在能够做出这样的评估之前，天文学家必须排除信号来自与Eps Ind a无关的背景源。
“总是很难确定，但从数据来看，信号似乎不太可能来自星系外的背景源，”另一位MPIA科学家、该研究文章的合著者莱因特·布加德(Leindert Boogaard)解释说。事实上，在浏览天文数据库以获取对Eps Ind的其他观测结果时，研究小组发现了2019年的成像数据，这些数据是由欧洲南方天文台(ESO)甚大望远镜(VLT)附带的VISIR红外相机获得的。在重新分析了这些图像之后，研究小组发现了一个微弱的物体，如果用JWST成像的源属于恒星Eps Ind a，那么它就应该在它应该在的位置。
科学家们还试图根据三种颜色的行星图像来了解系外行星的大气:两张来自JWST/MIRI，一张来自VLT/VISIR。Eps Ind Ab在短波长比预期的要暗。这可能表明存在大量的重元素，尤其是碳，它构成了甲烷、二氧化碳和一氧化碳等分子，这些分子在气态巨行星中很常见。或者，它可能表明这颗行星有一个多云的大气层。然而，要得出最终结论还需要做更多的工作。
未来研究方向
这项工作只是表征Eps Ind Ab的第一步。“我们的下一个目标是获得光谱，为我们提供地球气候学和化学成分的详细指纹，”MPIA的名誉主任，MIRI仪器的联合pi，以及基础文章的合著者托马斯·亨宁说。
马修斯说:“从长远来看，我们希望也能观察其他附近的行星系统，以寻找可能逃过探测的低温气体巨星。”“这样的调查将成为更好地理解气体行星如何形成和演化的基础。”
参考文献:“用JWST中红外成像成像的温带超级木星”，2024年7月24日，《自然》。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07837 - 8
参与这项研究的MPIA科学家是Elisabeth Matthews, Leindert Boogaard和Thomas Henning。
其他研究人员包括Aarynn Carter(美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所)、Caroline Morley(美国奥斯汀德克萨斯大学奥斯汀分校)和Prashant Pathak(印度坎普尔印度理工学院)。
MIRI财团由欧空局成员国比利时、丹麦、法国、德国、爱尔兰、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士和英国组成。德国的国家科学组织——马克斯普朗克学会(MPG)和德国航空航天中心(DLR)——资助了该联盟的工作。参与的德国机构包括海德堡的马克斯普朗克天文研究所、科隆大学和奥伯科兴的亨索尔特股份公司，前身是卡尔蔡司光电公司。
JWST是世界上首屈一指的空间科学天文台。这是一个由美国宇航局及其合作伙伴ESA(欧洲航天局)和CSA(加拿大航天局)共同领导的国际项目。
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