天文学家终于解开了著名的“粉色行星”之谜，这颗距离57光年的奇异星球已困扰科学家十余年。利用詹姆斯·韦伯太空望远镜，研究人员发现其大气中含有水蒸气、甲烷、二氧化碳、氨，以及一种在此类天体中从未被直接证实过的成分：含盐云层。
十多年来，这个以其粉红色薄雾而闻名的古老世界，一直是天文学界经久未解的谜团之一。作为有史以来直接成像的最冷行星质量伴星之一，它非常暗淡，以至于科学家难以从地球上分析其光线。如今，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的观测揭示了一个充满奇异化学成分和前所未见的云层的大气层。
这些发现提供了一些首批直接证据，证明盐云可以存在于寒冷行星天体的大气中，从而证实了科学家在15多年前首次提出的预测。研究结果也突显了JWST研究地基天文台力所不及的极冷、极暗世界的能力。
这项研究于6月18日发表在《天文学杂志》上。
“粉红行星是利用地基仪器发现的最冷的伴星，”领导这项研究的西北大学的Aneesh Baburaj说。“世界各地的许多团队都进行了后续观测以研究其光线，但对于地基仪器来说，它太暗淡了。这使其成为JWST的完美目标。当我们最终获得其光谱时，它立刻显得很有趣。但当我们开始深入挖掘数据时，我们意识到它与我们要以前分析过的任何东西都不一样。”
系外行星研究员Baburaj是西北大学天体物理学跨学科探索与研究中心（CIERA）的博士后助理。该项目还涉及太空望远镜科学研究所（STScI）的科学家，包括Marshall Perrin，他为该天体设计了观测计划。Perrin在JWST望远镜科学家团队任职，该团队协助开发了该天文台并支持其持续运行。
身份存疑的寒冷世界
粉红行星于2013年首次被发现，正式名称为GJ 504 b，围绕一颗距离地球约57光年的类太阳恒星运行。尽管有着这样的昵称，研究人员并不确定它是否真的是一颗行星。
GJ 504 b的质量约为木星的25倍，位于巨行星和褐矮星的边界附近。由于这种模糊性，天文学家将其归类为“行星质量伴星”，即围绕恒星运行的具有行星般质量的天体。
它的低温增加了其神秘感。大多数直接成像的系外行星温度在约1000到2000华氏度之间。相比之下，GJ 504 b仅约550华氏度（290摄氏度），类似于烤面包烤箱内部的温度。
据Baburaj介绍，该天体的年龄有助于解释其相对的低温。巨行星诞生时极其炽热，并在数十亿年间逐渐冷却。这项新研究估计GJ 504 b的年龄在25亿到40亿年之间。
詹姆斯·韦伯揭示行星光谱
为了研究该天体，Baburaj和他的同事使用JWST收集其微弱的光线。随后，他们应用先进的处理技术去除了来自更亮主星的眩光。
这种方法使团队得以获得伴星的光谱，该光谱将光分离成其组成颜色。由于不同的元素和分子会在光谱中留下独特的印记，科学家可以利用这些信息来确定大气的成分。
“过去，其他天文学家曾用世界上最大的几台望远镜整夜观测该伴星以获取光谱，”Baburaj说。“但他们无法看到该天体。利用JWST，我们的整个观测过程只用了大约两个小时，而且我们成功了。”
盐云解开长期谜团
观测揭示了一个包含水蒸气、甲烷、二氧化碳、氨和其他分子的大气层。
当研究人员试图利用计算机模型重建大气层时，他们遇到了一个问题。只有用看似不符合物理现实的大气条件才能与观测结果相匹配。
当团队在模型中加入云层时，解决方案出现了。一旦加入云层，奇怪的矛盾就消失了。结果表明，盐云遮挡了大气的深层，并影响了最终到达JWST的光线。
“我们进行了包含云层的模拟，结果与我们对寒冷行星的认知相符，”Baburaj说。“我们尝试了三种不同类型的云，盐云最吻合。当我们考虑盐云时，它抑制了隐藏在伴星大气深处的分子的特征。于是，结果变得在物理上可能了。”
光谱还表明，GJ 504 b可能含有异常大量的重元素，天文学家通常称之为金属。即便如此，关于该天体如何形成的问题仍然存在。目前的证据表明，它可能通过形成行星的过程产生，也可能通过形成小恒星的过程产生。
研究寒冷外星世界的新方法
Baburaj认为，为这项研究开发的方法可以帮助科学家研究其他寒冷、暗淡的行星天体。
例如，木星含有由氨冰构成的云层。尽管目前的仪器尚无法以同样的细节直接研究这些云层，但在GJ 504 b周围检测到的盐云表明，天文学家正离这一目标越来越近。
“这是我们第一次发现盐云对于解释一个天体的光谱至关重要，”Baburaj说。“这很好地提醒了我们，要在模型中考虑到云层。”
这项名为“JWST-TST高对比度：GJ 504 b的首次直接光谱分析揭示云层及可能的金属增丰”的研究得到了NASA的支持（奖项编号 80NSSC20K0586）。