韦伯望远镜首度于系外行星大气侦测到半重水

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來源:大紀元



系外行星WASP-39b正遭到其类太阳母恒星的猛烈照射。(NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted/STScI)

【大纪元2026年08月19日讯】（大纪元记者薛止墨编译报导）詹姆斯‧韦伯太空望远镜（JWST）是人类探索宇宙最敏锐的“眼睛”之一。凭借着革命性的红外线观测能力，JWST不仅能窥探宇宙最早期的星系，更开启了美国航空航天局（NASA）所谓的“系外行星研究新纪元”——深入剖析遥远外星世界的大气成分，寻找行星演化乃至地外生命的线索。

在寻找宜居环境的过程中，“水”无疑是最关键的指标之一。近期一项研究指出，天文学家利用JWST对距离地球近700光年的行星WASP-39b建立大气模型时，成功在该行星大气中侦测到了半重水（HDO）的光谱讯号。这是人类首次在太阳系之外的行星大气中，明确验证水同位素体（Isotopologues）的存在。

什么是半重水？为什么氘氢比（D/H）如此重要？

我们日常接触的普通水分子（H₂O），其氢原子（H）是由单一质子（没有中子，外面包围一个电子）构成的“氕”。而半重水（HDO）的分子结构中，其中一个氢原子（H）被替换成了多带一颗中子的重氢同位素——氘（Deuterium, D）。

研究团队之所以全力寻找半重水，核心目的在于精确量测行星大气中水分子的氘氢比（D/H比值）。D/H比值就像是行星的“化学指纹”，能为科学家提供两大关键线索：

1. 行星的诞生地：原恒星盘不同区域（例如雪线内外）的水冰具有不同的氘富集程度。
2. 大气的演化与流失历程：大气逃逸作用会改变大气中的成分比例。

本次研究之所以选择WASP-39b——一颗距离地球约700光年、体积膨胀且大气极为明亮的酷热气态巨行星，是因为它是被研究最透彻的外星世界之一：JWST的四大主要科学仪器（NIRISS、NIRCam、NIRSpec和MIRI）先前皆已对其进行过深入观测，使它成为目前拥有一座“数据金矿”的“基准系外行星”。

研究团队表示：“这让我们获得了迄今所有系外行星中最详尽的透射光谱。然而，我们对其大气化学机制的理解仍不完整；精确测量这颗行星大气中水的D/H比值，将为其化学环境与形成途径提供极为宝贵的限制条件。”

异常偏高的氘氢比：WASP-39b经历了什么？

在将综合了温度、云层覆盖、分子丰度与光谱不透明度的大气模型，与JWST实测数据比对后，研究团队发现WASP-39b大气中的D/H比值，显著高于太阳系中的木星与土星等气态巨行星，而“这些行星原本可以预期是WASP-39b最接近的本地类比对象”。

天文学家提出两种主要机制来解释这种“氘富集”现象：

1. 剧烈的大气逃逸（Atmospheric Escape）

WASP-39b离其母恒星极近，大气温度接近1,000°C（1832℉），且自身引力较弱。在强烈辐射照射下，较轻的普通水分子分解后，氢原子更容易克服引力逃逸至太空中；相对地，质量略重的半重水（HDO）则较容易被留在行星大气中。长期累积下来，便拉高了残留大气的D/H比值。

2. 远距离迁移（Inward Migration）

另一种可能是WASP-39b原本诞生于原行星盘外围寒冷的“雪线”之外，在那里吸积了富含氘冰的原始物质，随后才渐渐向内迁移至现今靠近恒星的高温轨道上。原恒星盘外围的冰体观测数据显示，其氘富集程度确实与WASP-39b推算出的比值吻合，不过这仍需更复杂的动态化学模型进一步验证。

2011年发现的WASP-39b，因为在大气层内发现大量水而闻名，它绕行其类太阳母恒星的轨道距离，比太阳系任何行星距离恒星的轨道距离都要近。尽管如此贴近，它的水量可能仍是温度低得多的土星的三倍。(NASA/ESA/G. Bacon/STScI)

从气态巨行星到岩质世界：未来搜寻宜居性的关键利器

必须强调的是，WASP-39b是一颗环境极端的高温气态巨行星，其本身绝非宜居世界。但这次成功侦测到半重水光谱，标志着技术上的重大突破。

半重水具有非常独特且易于辨识的红外光谱特征。研究团队总结道：“在不久的将来，这种技术甚至有可能应用于温和的岩质系外行星上，届时测量半重水与D/H比值，将成为评估这些世界是否具备液态水演化史及潜在宜居性的强大示踪工具。”

这项发现不仅让我们更深入理解远方异星大气的剧烈变化，也为未来寻找第二个“地球”铺设了关键的化学侦测基石。

这项研究于7月21日发表在预印本服务器arXiv上。