NASA 的 James Webb 太空望遠鏡繼續革新我們對宇宙的理解，透過兩項重大天文突破展示了其非凡能力。這臺先進的觀測臺首次在系外行星上探測到二氧化碳，同時還捕捉到了前所未有的海王星極光影像，展示了該望遠鏡在探索遙遠世界和我們太陽系鄰居方面的多功能性。
首次直接探測到系外行星上的二氧化碳
James Webb 太空望遠鏡首次直接探測到太陽系外行星上的二氧化碳，創造了歷史。這一突破性觀測聚焦於 HR 8799 星系中的四顆巨型系外行星，該星系距離地球約130光年。這一發現提供了令人信服的證據，表明這些巨大世界的形成過程與我們自己的氣態巨行星木星和土星相似。
Johns Hopkins 大學的天體物理學家、發表在《天文學雜誌》上的研究論文的主要作者 William Balmer 解釋了這一發現的重要性：「透過探測到這些強烈的二氧化碳形成，我們已經證明這些行星大氣中存在相當比例的重元素，如碳、氧和鐵。這些元素的存在強烈表明它們是透過核心聚集形成的——一種自下而上的方法，即固體核心逐漸積累物質。」
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡重要發現
| 發現 | 位置 | 意義 |
|---|---|---|
| 二氧化碳探測 | HR 8799 系統（4顆系外行星） | 首次直接探測到系外行星上的二氧化碳；核心吸積形成的證據 |
| 海王星的極光 | 海王星 | 首次直接目視確認海王星上的極光；揭示了複雜的磁場模式 |
HR 8799 系統詳情
- 距離地球：130光年
- 系統年齡：3000萬年（相比我們46億年的太陽系）
- 形成方式證據：核心吸積（類似於木星和土星）
年輕的行星系統提供形成過程的線索
HR 8799 星系相對於我們46億年的太陽系來說非常年輕，只有3000萬年。這些行星仍然保持著形成時的熱量，發出大量紅外光，為科學家提供了寶貴的資料。這些資訊有助於研究人員瞭解這些世界與恆星或棕矮星等其他天體的比較情況。
Balmer 指出：「我們對這類研究的希望是透過與其他系外行星系統的比較，瞭解我們自己的太陽系、生命和我們自己，從而將我們的存在置於背景中。」二氧化碳的存在——這是地球上生命必不可少的化合物——使這些觀測對於尋找宇宙中其他潛在宜居環境的天體生物學家來說特別有吸引力。
Webb 革命性的直接觀測能力
James Webb 太空望遠鏡展示了超越以往可能的能力，直接分析遙遠世界的大氣成分，而不僅僅是從恆星光測量中推斷出來。這種直接觀測是透過 Webb 的日冕儀——一種能夠阻擋恆星光以揭示原本隱藏行星的專用儀器——實現的。
空間望遠鏡科學研究所的天文學家、該研究的共同作者 Laurent Pueyo 強調了繼續這項研究的重要性：「我們建議透過 Webb 進行進一步觀測，受我們二氧化碳診斷的啟發，以回答有關行星形成過程的問題。」瞭解這些巨大行星對像我們這樣的行星系統有重要影響，因為它們可能會破壞或保護較小的、潛在宜居的世界。
海王星極光的歷史性成像
在另一項顯著成就中，天文學家結合了 James Webb 和 Hubble 太空望遠鏡的能力，首次捕捉到海王星極光的影像。這顆因大氣中的甲烷而呈現獨特藍色的冰巨行星，透過這些觀測揭示了其複雜的磁場。
與地球極光通常形成於磁極周圍不同，海王星的極光呈現斑塊狀，分散在整個行星上。這種不尋常的分佈是由海王星高度不規則的磁場導致的，該磁場與其旋轉軸傾斜47度，並在行星16小時的旋轉週期內顯著變化。
協作望遠鏡技術促成新發現
海王星極光的成像代表了協作天文學的勝利，結合了 Webb 的近紅外光譜儀資料和 Hubble 的廣角相機3的可見光影像。Webb 在其工作溫度-370華氏度（-223攝氏度）下探測紅外光（本質上是熱量）的能力，對於捕捉這些難以捉摸的現象至關重要。
科學家們認為，極光之所以能夠被探測到，是因為海王星上層大氣溫度顯著下降，這在以前很難觀測到。這種由 Webb 儀器探測到的冷卻效應，創造了條件，使極光活動首次能夠被清晰成像。
Webb 望遠鏡觀測方法
| 目標 | 使用的儀器 | 觀測型別 |
|---|---|---|
| HR 8799 系外行星 | 日冕儀 | 直接大氣分析 |
| 海王星極光 | 近紅外光譜儀 (NIRSpec) | 紅外探測結合 Hubble 可見光資料 |
海王星特徵
- 磁場傾斜度：與自轉軸相差47度
- 自轉週期：16小時
- 極光模式：斑駁分散（與地球的極地極光不同）
- Webb 望遠鏡的工作溫度：-370°F (-223°C)
擴充套件我們對整個太陽系極光的理解
海王星加入了已知展示極光活動的太陽系天體不斷增長的目錄。雖然水星缺乏極光所需的大氣層，但我們太陽系中的每個其他行星都顯示出某種形式的這種現象。木星擁有特別壯觀的極光，而土星的極光無論太陽風條件如何都保持一致的強度。
除了行星外，幾個衛星也展示出極光，包括木星的衛星木衛三、木衛二和木衛四。這些觀測幫助科學家識別這些衛星上可能存在的地下海洋，因為極光模式提供了關於其表面下導電層的線索。
Webb 探索的未來前景
隨著 James Webb 太空望遠鏡繼續其使命，這些發現突顯了它對天文研究的變革性影響。從分析遙遠系外行星的大氣成分到揭示我們太陽系鄰居以前不可見的特徵，Webb 正在實現其作為人類最強大的太空觀測臺的承諾。
望遠鏡直接觀察行星大氣和探測特定化學化合物的能力，為理解行星形成、識別潛在宜居環境以及將我們自己的位置置於宇宙背景中開闢了新途徑。隨著每一次新的觀測，Webb 使我們更接近回答關於宇宙和我們在其中存在的基本問題。