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艺术家对一颗围绕遥远主星运行的气态巨行星的印象图。由宾夕法尼亚州立大学和喷气推进实验室的天文学家领导的研究，利用美国国家航空航天局的詹姆斯韦布空间望远镜分析了一颗大小与土星相当但温度与地球相似的气态巨行星的大气，发现其富含甲烷。图片来源：美国国家航空航天局

NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜发现了一颗罕见的系外行星，它位于炽热的热木星与土星这类冰冻气态巨行星之间的宇宙甜点区。

使用美国国家航空航天局詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的天文学家研究了一颗罕见巨行星的大气，其温度惊人地接近地球的温度。根据一项新研究，这颗名为TOI199b的行星大小与土星相当，大气中含有甲烷。

这个发现不同寻常，因为巨行星通常在极端环境中被发现。在我们的太阳系里，木星和土星因远离太阳运行而异常寒冷。在其他恒星周围发现的许多巨行星是热木星，它们运行在离恒星极近的轨道上，温度可高达数千度。

TOI199b有所不同。科学家将其归类为温带巨行星，这类行星在已知的星球中数量很少。研究人员表示，这是首次对这类温和巨行星中的一颗的大气进行详细研究。

这些发现可能帮助研究人员改进解释行星和大气如何随时间形成和变化的计算机模型。这项研究还可能为地球大气过程提供新的线索。

这项由宾夕法尼亚州立大学和加州理工学院下属美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）的科学家牵头的研究，近期发表在《天文学期刊》上。

宾夕法尼亚州立大学Eberly理学院天文学与天体物理学副教授、研究团队负责人胡仁宇（RenyuHu）表示：研究太阳系外行星（即系外行星）的主要优势之一，是能够研究多种不同类型的行星——尤其是那些我们在太阳系中看不到的行星——以了解行星系统的形成和演化方式。自第一颗系外行星被发现以来，天文学家已经发现了数千颗系外行星。但已知的巨型温带系外行星数量很少，这是我们首次能够详细研究其中一颗的大气。

TOI199b拥有令人惊讶的类地温度

TOI199b绕着一颗距离地球超过330光年的恒星运行，大约每100天完成一次公转。

它的估计温度约为175华氏度。虽然以人类的标准来看这仍然非常热，但远不及热木星上的温度那么高。研究人员指出，类似的温度甚至可能出现在地球上停在阳光直射下的汽车内部。

这使得TOI199b比太阳系中冰冻的气态巨行星温暖得多，但远不及其他恒星周围常被研究的超热巨行星那么热。

科学家如何检测大气中的甲烷

为了研究TOI199b的大气，天文学家使用了一种被称为透射光谱学的方法。这种技术测量的是当行星从望远镜视角下经过其恒星前方（即凌日期间）时，星光穿过行星大气时发生的变化。

詹姆斯韦伯空间望远镜将入射的星光分解成不同的波长，类似于棱镜将白光分解成彩虹的方式。

当一颗行星从其恒星前方经过时，部分恒星的光线会穿过行星大气层，并与大气中的元素和分子发生相互作用，JPL的博士后研究员、该论文的第一作者亚伦贝洛阿鲁费（AaronBelloArufe）表示。特定元素会吸收特定波长的光，从而在JWST探测到的光谱中形成一个指纹，反映出大气的成分。

研究人员首先记录了约20小时的连续观测数据，以建立该恒星光线的基线测量值。这次凌日过程本身持续了约7小时，比通常观测到的热木星的较短凌日过程要长得多。

科学家们随后将凌日期间收集的光谱与基线观测数据进行了对比。这些差异揭示了哪些波长被大气中的气体吸收，帮助研究团队确定了其化学成分。

甲烷、氨和二氧化碳提示

当我们将凌日期间的光谱与基线光谱进行比较时，我们发现大气层阻挡了被甲烷吸收的星光波长，贝洛阿鲁费说。关于温带气态巨行星组成的模型曾预测它们会含有甲烷，因此能证实我们的理论是准确的，这很好。

观测结果还表明，大气中可能存在氨和二氧化碳。

胡表示：通过对这颗行星的进一步观测，我们可以确定其大气中这些不同气体的相对丰度。这幅关于温带气态巨行星大气的更完整图景，可用于改进我们的模型，并有可能更好地理解行星及其大气（包括地球）的形成和演化过程。这项对温带巨行星大气的首次研究取得成功，也让我们有信心投入更多资源和观测时间去研究其他类似行星。届时我们就能知道这颗行星是否独特，或者这类行星是否具有普遍的共同特征。

该研究团队还包括来自亚利桑那州立大学、约翰斯霍普金斯大学、卡内基科学研究所、加州理工学院以及加州大学圣克鲁兹分校的科学家。

美国国家航空航天局通过太空望远镜科学研究所的一项拨款资助了这项研究。

相关知识

巨行星是太阳系中体积与质量远大于类地行星的行星类型，主要分为气态巨行星（如木星、土星）和冰态巨行星（如天王星、海王星）。它们拥有浓厚的大气层，核心多由岩石或金属构成，周围常伴随大量卫星与光环，是太阳系行星系统里极具特色的重要成员。

BY: Penn State

FY: AI

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