韦布望远镜首次拍到系外行星直接图像，这具有哪些重大意义？

找到另一颗地球的希望更大了！

2022年9月2日凌晨，韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，以下简称“韦布”）拍摄的第一张系外行星图像被公布，如下图。这颗系外行星的编号为“HIP 65426 b”，它围绕一颗编号为“HIP 65426”的恒星公转。

图注：数字化巡天（DSS）拍摄的恒星HIP 65426所在的天空中的群星（上方大图）与韦布拍摄的围绕这颗恒星运转的系外行星的图像（下方小图）。4张小图拍摄的是这颗行星平均波长分别为3.067微米、4.397微米、11.307微米与15.514微米的波段上的图像。白色五角星表示恒星所在的位置，恒星自身发出的光被设备屏蔽了。图中出现的棒状图像由仪器衍射效应引起，并非真实图像。图片来源：DSS；NASA/ESA/CSA, A. Carter (UCSC), the ERS 1386 team, and A. Pagan (STScI)

上图中的大图显示了被拍摄的行星所围绕的恒星所在的位置。4张小图分别是韦布的近红外相机（NIRCam）与中红外设备（MIRI）拍摄的HIP 65426 b的4个波段的图像。

有些读者可能会说：“咦，今年7月份被公布的韦布的第一批图片里不是有系外行星的图片吗？”没错。但那两张系外行星的图片并不是“图像”，而分别是“光变曲线”与“光谱”。而且，它们都是恒星在受行星影响之后显示出的光变曲线与光谱，而不是行星自身的。

此外，哪怕直接测量了行星自身，测量光变曲线只是相当于测量了一个人的手腕体温随着时间的变化，测量光谱也只是相当于测量了它某一时刻全身不同部位的体温，但却没有给这个人拍摄证件照。

这次，韦布拍摄的恰是一颗系外行星的“证件照”。这是韦布首次拍摄系外行星的图像。虽然它并不是人类获得的第一批系外行星的图像，但却是人类获得的系外行星在超过5微米的波长上的第一批的图像。

一、系外行星“动物园”

我们太阳系内的八大行星就是“太阳系内行星”，我们可以将它们简称为“系内行星”，但我们一般直接称呼它们为“行星”。在太阳系外的行星自然就是“系外行星”。我们将系外行星围绕的恒星称为它们的“母恒星”。

系外行星一般以如下方式命名：如果母恒星只有1颗行星，就在母恒星的编号后面直接加b；如果有2颗或更多颗行星，就继续使用c、d、e……

这次韦布拍摄的系外行星，母恒星为HIP 65426，因此其编号为“HIP 65426b”；此前韦布探测过的那颗系外行星的母恒星为WASP-96，因此它的编号为“WASP-96b”。

从1992年人类确认第一颗系外行星，到2022年9月6日，人类共确认至少5471颗系外行星，它们处于至少3811个类似于太阳系的系统中，其中拥有不少于2颗行星的系统至少有833个。[注1]

我们知道，太阳系内虽然只有八大行星，但却可以被分为三类：水星、金星、地球与火星属于岩石行星，木星与土星属于气态巨行星，天王星与海王星属于冰巨行星。

系外行星的类型比太阳系内的行星更多样化。有的系外行星像地球，但质量却比地球大好几倍，因此属于“超级地球”；有的系外行星像木星，但因为距离母恒星太近，温度比木星高得多，因此属于“热木星”。它们的质量分布也很广，有的质量比木星大得多，因此属于“超级木星”，有的质量只是月球质量的2倍。

虽然从科研的角度来看，每一种系外行星都有其独特的价值。但在这个丰富的系外行星“动物园”中，人类最感兴趣的还是那些温度适宜、表面可以产生液态水，且大小类似于地球的“宜居行星”。

二、如何发现系外行星？

发现系外行星的难度非常大，因为恒星自身的亮度常常远超其行星的亮度。要想直接看到系外行星，难度相当于在几千千米之外看篝火旁边的萤火虫。

然而，随着科技的发展，人类在1992年首次发现了系外行星。它们是两颗围绕中子星公转的行星，发现者是沃尔兹森（Aleksander Wolszczan，1946-）与弗雷尔（Dale Frail，1961-）。

1995年，人类首次发现围绕主序星公转的系外行星，发现者麦耶（Michel Mayor，1942-）和奎洛兹（Didier Queloz，1966-）获得了2019年的诺贝尔物理学奖。主序星指的是内部只发生氢聚变的恒星，我们的太阳就是一颗主序星。

到现在为止，天文学家已经发展出多种发现系外行星的间接或直接的方法，最主要的有以下4种：凌星法、径向速度法、微引力透镜法与直接成像法。用这4种方法发现的系外行星约占总数的97.88%。

四种发现系外行星的方法

三、韦布的拍照对象——HIP 65426b

HIP 65426与其行星HIP 65426b构成的系统位于半人马座方向。在人眼最敏感的V波段，HIP 65426是一颗7等星，无法被人类的肉眼看到，因为肉眼看星的极限是6等或6.5等。所以我们只能借助望远镜才可以看到它。

根据GAIA卫星在2020年的测量，HIP 65426距离地球约350.6光年。它表面的温度约为8840 K，略高于太阳的表面温度（5772 K）。它的质量约为太阳质量的1.96倍。它的半径约为太阳半径的1.77倍。它的年龄约为1400万年，远低于太阳的年龄（约46亿年）。

HIP 65426b绕HIP 65426公转一周需要631年（指地球上的年，下同）。作为对比，距离太阳最远的行星海王星公转一周的时间为164.8年，矮行星冥王星公转一周的时间为247.94年。

在VLT-3发现HIP 65426 b之后、韦布拍摄它之前，天文学家就已通过各种手段研究了它的性质。这些研究表明：

（1）HIP 65426 b非常“年轻”，年龄约为1400万年；相比之下，地球就比较“成熟”了，年龄约为46亿年。（2）HIP 65426 b的大气中的尘埃含量较高，缺乏碳，富含氧，存在水和二氧化碳，但甲烷和氨未被探测到。（3）HIP 65426 b的表面温度约为1560 K。（4）HIP 65426 b的质量约为木星质量的10或11倍。

按照行星形成理论，恒星周围的气体与尘埃逐渐凝聚成行星时，周围还会存在一些残存的盘物质。令天文学家费解的是，HIP 65426 b还这么年轻，它周围残存的盘却已经消失了。这与当前流行的理论模型矛盾。

韦布拍摄的HIP 65426b的图像。7张小图拍摄的分别是这颗行星在平均波长分别为2.523微米、3.067微米、3.580微米、4.084微米、4.397微米、11.307微米与15.514微米的波段上的图像。白色五角星表示恒星所在的位置，恒星自身发出的光被星冕仪屏蔽了。图片来源：A. Carter et al. arXiv:2208.14990v2

在拍摄的图像中，HIP 65426与HIP 65426b的角距离约为0.82角秒，结合它们与地球的距离，Carter等人计算出HIP 65426b的平均轨道半径约为87天文单位（1天文单位等于1.5亿千米，即地球与太阳的平均距离），大约是海王星平均轨道半径的3倍、冥王星平均轨道半径的2倍。

Carter等人将韦布得到的数据与此前SPHERE得到的数据结合，得到了1~16微米范围内的亮度值，这个波长范围内的亮度占了HIP 65426 b总亮度的97%。

Carter等人将这些数据绘制成图（见下图）。

图中，韦布得到的七个波段的点用橙色空心点表示；SPHERE的积分场光谱仪（IFS）得到近红外光谱由密集的黑色空心三角形表示；SPHERE的红外差分成像仪和光谱仪（IRDIS）获得的测光点由黑色空心方块表示；搭配在VLT-1上的Nasmyth自适应光学系统-CONICA近红外相机（NACO）获得的测光点由黑色空心菱形表示。

很显然，韦布补上了5微米以上的测光数据，且其在4微米左右的测量值与VLT的NACO得到的值有肉眼可见的差异。Carter等人用大气模型拟合这些数据（他们在拟合时未包括NACO的数据，因为它们与韦布得到的数据存在矛盾）。

模型拟合表明：HIP 65426 b的温度约为1673 K；HIP 65426 b的半径约为木星半径的0.92倍。Carter等人还将观测结果与演化模型结合，得到的行星半径约为木星半径的1.45倍，得到的表面温度约为1282 K。在此基础上，Carter等人计算出的HIP 65426 b的热亮度为太阳热亮度的10万分之4.5倍到10万分之6.2倍，进而它的质量约为木星质量的7.1倍（误差为木星质量的1.1倍）。

Carter等人的这个结果将此前得到的一些物理量的精度提高了3倍。

四、韦布的性能测试

在近红外波段与中红外波段，HIP 65426 b反射的母恒星的光分别仅为其母恒星发出的光的万分之一与几千分之一。韦布用星冕仪挡住恒星的光，拍下了这张照片。从直观上看，韦布拍摄的图没有VLT-3拍摄的清晰，但韦布拍摄到的是更长波长的中红外图像。

由于系外行星的温度比恒星低得多，其相当一部分辐射在中红外波段，被观测到的中红外辐射可以被用来与短波数据结合，用以构建更完整的能谱，进而推导出其温度、半径等重要性质（见上节）。在此基础上，人们还可以更精确地确定系外行星的热亮度与质量。

此外，相比于地面望远镜，韦布拍摄系外行星时还有以下优点：地面上的望远镜观测受到大气干扰，因此常常要用“自适应光学”技术消除大气的影响；韦布在太空中，不受大气干扰，因此不需要这个技术的辅助，这使它可以获得更精确的测量数据。

Carter等人认为，韦布这次成功的拍摄表明它在拍摄系外行星方面的能力是预计中能力的10倍。

五、让我们的“暗淡蓝点”不再孤单

早在1584年，布鲁诺（Giordano Bruno，1548-1600）就猜测天上的那些恒星可能都有围绕着它们运转的行星。然而，直到1992年前，人类才首次发现系外行星，此时距离布鲁诺提出这个猜测已有400多年。

从那时到现在，人类发展出各种各样高精度的技术，发现了5000多颗系外行星与至少8000多颗待确认的候选体。这些技术既是人类心智的结晶，也代表着人类在寻找地球遥远的同类时的不懈努力。

韦布通过这次拍摄证明了它在观测系外行星方面的卓越性能，使其正式成为系外行星研究的重要一员。

韦布在中红外波段的观测对于构造一个完整的能谱，进而推断系外行星的温度、半径、热亮度与质量等重要数值特别重要。此外，它携带的敏锐的光谱仪使人们可以更精确地推断出一些处于母恒星的“宜居带”内的类地行星的大气与表面的化学成分，从而可以让人类进一步判断它们是否适合生命存活与演化。最后，韦布还同时拥有大口径、高灵敏度、高精确度等优点。

这些优点的结合，使韦布在确定系外行星性质、寻找另外的“地球”方面具有特殊的优势。

1990年2月14日，在太空中飞行了12年多的NASA的旅行者1号（Voyager 1）在距离地球60亿千米的地方拍下了一张珍贵的照片。在这张图中，只有0.12像素、看似微不足道的那个微小亮点就是地球，它几乎被相机反射阳光后形成的彩色光带淹没。

1994年，著名天文学家与科普作家萨根（Carl Sagan，1934-1996）将图中那个点称为“暗淡蓝点”（Pale Blue Dot），并以此作为一本书的名字，这颗暗淡蓝点就是我们珍贵的家园。

当我们凝视着照片中的这个暗淡蓝点时，我们不禁会问：“我们的地球在宇宙中真的是孤单的吗？”人类逐步发现的一些可能的宜居行星已经能够让我们越来越乐观地给这个问题一个否定的答案。

虽然这些可能宜居的行星的各种性质依然与我们的地球存在差距，但我们可以乐观地预期：在韦布与其他强大的望远镜的助力下，人类将很快寻找到性质更接近我们地球、更适宜生命存活与演化的宜居行星，直到找到真正的另一颗地球，从而让我们所在的这颗暗淡蓝点不再那么孤单。

[注1]不同的来源统计的数目彼此间有差异，根据任何一个单一来源得到的数字都不够可靠。此处结合http://exoplanet.eu/catalog/与https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/docs/counts_detail.html的统计数目并考虑二者在凌星法方面的统计差异，得到5471这个下限值。

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