詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST) 拍攝了其首張環繞遙遠恆星執行的行星的直接影像。這顆名為 HIP 65426 b 的行星是一顆氣體巨星，質量是木星的數倍，它圍繞恆星執行的距離大約是海王星和太陽之間距離的三倍。HIP 65426 b 只有大約 1500 萬年的歷史——在天文術語中是新生兒——距離地球約 350 光年。
您可能不會對這些新的行星照片的細節水平印象深刻，但拍攝這些影像的研究人員肯定印象深刻。“當結果出來時，我不得不確保我看到的不是模擬影像，”英格蘭埃克塞特大學天體物理學教授 薩莎·欣克利 說，他幫助領導了這項研究。“它看起來就像我們五年前撰寫提案時的模型影像。”
HIP 65426 b 的影像表明，JWST 在其系外行星研究方面的表現超出了預期，系外行星研究是該望遠鏡的四個核心研究領域之一。這意味著 JWST 計劃進行的對其他系外行星的觀測可能會比研究人員預期的更加成功，並且天文學家在未來的研究週期中向 JWST 管理委員會提交提案時可以更加雄心勃勃。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
JWST 不是第一個拍攝系外行星直接照片的望遠鏡，但它已經證明是最好的。欣克利見證了這個領域的發展：他從事系外行星成像工作已經近 20 年了。“我真的對這項研究的技術挑戰很感興趣——不得不阻擋這些亮度令人難以置信的主恆星，它們比圍繞它們執行的微弱行星亮 10,000 倍或一百萬倍，”他說。
如此壯舉聽起來幾乎不可能——就像從您在球場另一側的座位上發現一隻在明亮的體育場燈光下飛舞的微弱螢火蟲。然而，憑藉正確的技術，可以揭示系外行星。
研究合著者 艾琳·卡特 說：“我們可以去觀察一顆附近恆星，它的屬性與目標恆星相似。”艾琳·卡特是加州大學聖克魯茲分校的博士後研究員，他領導了這項系外行星成像的分析。“然後，我們可以基本上構建一個星光外觀的模板，並將其減去，只留下行星。”
這聽起來似乎很簡單，但要使這種方法成功，需要很多事情都做對。在這種情況下，它們確實做對了——甚至比卡特和欣克利計劃的還要好。
JWST 的成像靈敏度比預期的還要高。其先進的日冕儀成功地阻擋了大部分主恆星的光線。對於這項特殊的研究而言，也許最重要的是，JWST 在進行觀測時保持了令人難以置信的穩定。穩定性對於從第二顆恆星獲得乾淨的星光模板以從第一顆恆星中減去至關重要。
欣克利說：“我們看到的是，詹姆斯·韋伯非常穩定，因此 [星光] 模式在恆星之間是穩定的。”“這實際上要歸功於過去 20 年來全球數千名科學家、技術人員和工程師所做的令人難以置信的工作。”
美國宇航局系外行星科學研究所主任 查爾斯·貝奇曼 幫助開發了 欣克利和卡特在其成像中使用的 JWST 研究儀器。“當你發射某些東西時，”他說，“你會按照一系列要求來構建它。然後你有一系列我們稱之為‘願望’的東西。”
由於最新的系外行星影像，現在很明顯，JWST 的儀器正在實現所有人的願望。“你得到了更清晰的影像；你的抖動更少；探測器的效能更好一些，”貝奇曼說。由於其業已證明的靈敏度和穩定性水平，JWST 有潛力直接觀測到比過去任何其他望遠鏡都小的多的系外行星——甚至比研究人員希望的還要小。
這對未來的研究來說是個好訊息，包括貝奇曼將在 2023 年 7 月至 8 月期間領導的一項研究，該研究將使用直接成像來尋找行星，就在我們最近的恆星系——半人馬座阿爾法星系內。
到目前為止，天文學家只設法拍攝到比木星大幾倍且軌道離恆星非常遙遠的系外行星。“但我們現在從這些觀測中瞭解到，詹姆斯·韋伯可能會讓我們觀測到與我們自己的土星或我們最近恆星的海王星類似的行星，”欣克利說。
劍橋大學耶穌學院的天文學研究員 塞巴斯蒂安·馬裡諾 可能是 JWST 超出預期的效能的受益者之一。在明年四月至六月之間，馬裡諾和他的同事 計劃觀測 被寬闊的碎片盤包圍的恆星，這些碎片盤類似於土星環的巨大版本。馬裡諾的團隊將專注於一些有明顯間隙的特定星盤，其假設是尚未探測到的系外行星負責在它們圍繞主恆星執行時“雕刻”這些間隙。
根據間隙的寬度，馬裡諾預測這些系外行星（如果存在）的質量與土星或海王星的質量大致相同。雖然探測到它們最初是一個雄心勃勃的目標，但最新的成像結果表明，正如欣克利指出的那樣，JWST 能夠探測到那些非常大小的行星。
馬裡諾說：“它比我們想象的效能更好，這一事實真的很令人鼓舞。”即使 JWST 沒有找到他希望的系外行星，馬裡諾也很高興望遠鏡能夠確認這些行星不存在。（行星搜尋的一個重要但經常被忽視的方面是知道何時停止在任何給定的恆星周圍尋找世界。）馬裡諾說，一個較弱的望遠鏡更有可能產生不確定的結果，而這隻會延長最終可能毫無結果的搜尋。
最新的系外行星影像也預示著 伊麗莎白·馬修斯 的良好前景，她是日內瓦大學的博士後研究員。“對於我自己的計劃，看到儀器真的會像我們在設計計劃時預期的那樣工作，這真是令人信服，”馬修斯說。
在 2023 年 4 月至 5 月之間，馬修斯 將使用 JWST 觀測一顆附近的載行星恆星——印第安座 Epsilon A，僅 12 光年遠。那顆恆星的系外行星印第安座 Epsilon Ab 僅透過其質量對恆星產生的微妙引力擺動而為人所知。沒有人直接看到過這顆行星，但天文學家的最佳估計表明它一定相當冷，這意味著它相當古老。人們認為巨型系外行星誕生時是熱的，會從它們最近的形成中輻射出大量的剩餘熱能。（在 JWST 的 HIP 65426 b 紅外影像中看到的發光行星狀斑點主要是行星自身發出的熱能，而不是從其雲層頂部反射的光。）
較老、較冷的行星通常太微弱而無法拍照——被它們的主恆星的強光淹沒。因此，馬修斯計劃對一顆更成熟的行星進行成像具有挑戰性，但 JWST 最近的表現表明這當然應該是可能的。馬修斯說，她將她的研究設計為佔用產生行星影像所需的最少時間——但現在她更加確信它將在該時間範圍內成功，因為 JWST 超出預期的靈敏度相當於被授予了更多的觀測時間。
現在要輕易改變 JWST 首個“週期 1”觀測的計劃以利用其超出預期的高對比度成像效能為時已晚，但這些早期結果肯定會讓天文學家在規劃未來研究時更有信心。馬裡諾和馬修斯都建議他們下次可能會設定更大膽的研究目標。JWST 第二個觀測週期的研究提案將於一月下旬到期。
在那之前，薩莎·欣克利計劃與天文界聯絡，根據他的團隊對 JWST 功能的最新理解，就如何充分利用 JWST 提出建議。欣克利說：“我們預計我們的建議將使社群能夠提出儘可能強大的提案集來進行這些觀測。”
在未來的研究週期中，那些被認為太小或太遙遠而無法觀測的目標可能會被認為是可以觸及的。最終，JWST 卓越的系外行星成像工作應該有助於指導開發更雄心勃勃的天文臺，這些天文臺不僅可以拍攝氣體巨星，還可以拍攝更小更微弱的目標：潛在可居住的、更像地球的世界。
貝奇曼說：“那些‘哇，如果我們能做到那就太幸運了’的提案進入了‘是的，我們應該能夠做到’的領域。”“以及那些‘我們不可能做到’的新事物進入了‘是的，我們有機會實現它’的領域。”