詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）拍摄的新图像，让我们几乎前所未有地近距离观察到了太阳系外外星世界的天空。
对一颗围绕名为YSES – 1的恒星运行的气态巨行星系外行星的直接成像，揭示了其大气高处漂浮着细沙云。此外，对邻近一颗行星的类似观测表明，它被一个巨大的、旋转的富含橄榄石的圆盘所环绕，橄榄石这种矿物在地球上可以形成宝石橄榄石。
“这两个结果的方方面面都令人兴奋，” 空间望远镜科学研究所的天体物理学家、主要作者基兰·霍赫（Kielan Hoch）告诉《科学警报》（ScienceAlert）。
“这些观测很新颖，因为利用JWST的近红外光谱仪（NIRSpec），我们能做到 ‘一次观测，两个收获’，并在每个天体上发现两个主要的行星特征。”
太阳系外的行星犹如难以捉摸的 “野兽”。要直接观测到它们极其困难，因为它们距离我们非常遥远，体积小且光线暗淡，还被它们环绕的恒星的耀眼光芒所遮蔽。
在迄今确认的近6000颗系外行星中，绝大多数都只是通过间接方式探测和测量到的，也就是说，是基于它们的存在给宿主恒星光线带来的变化来发现的。只有大约80颗系外行星是被直接观测到的。
从一颗行星对周围天体的引力作用方式或它对宿主恒星的掩食情况，我们可以了解到关于这颗行星的很多信息。但对其发出的光进行直接观测能揭示更多内容。即便如此，要从哪怕是距离最近的系外行星的微弱光线中提取信号，也需要强大的仪器。
YSES – 1星系距离我们仅306光年，包含两颗已知行星：YSES – 1b，距离恒星较近，为160个天文单位；YSES – 1c，距离为320个天文单位。YSES – 1c的质量约为木星的6倍，而YSES – 1b是两者中较大的一颗，质量约为木星的14倍，正好处于行星和褐矮星之间的质量边界上。
此前对这个星系的直接观测表明，这颗行星可能具有有趣的大气特性，但相关仪器的能力不足以探测到这些特性。
接下来登场的是JWST。
“借助JWST上的NIRSpec仪器，我们能够一次性获取行星在数千个波长下的图像。这些图像可以简化为光谱，这是行星自身发出的热光，” 霍赫解释道。
“当光线穿过系外行星的大气层时，部分光线会被分子吸收，导致行星亮度出现下降。这就是我们能够判断行星大气成分的方法！”
结果如何呢？这是迄今为止汇编的关于多行星系统最详细的光谱数据集。
研究人员发现，两颗系外行星的大气中都有水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷的迹象，这些都是相对常见的大气成分。而它们的差异之处才是真正有趣的开始。
“对于YSES – 1c，我们看到了来自水、二氧化碳、一氧化碳和甲烷的大量分子特征。在较长波长下，我们看到了由硅酸盐颗粒引起的吸收现象，其光谱形状有所不同，” 霍赫说。
“我们利用不同颗粒和结构的实验室数据来模拟哪种硅酸盐最符合这些数据，并确定这些颗粒的其他特性。我们的模型表明，大气高处可能存在含有少量铁的小硅酸盐颗粒，它们从云层中降下。然而，我们的模型也表明，仅由硅酸盐混合也能符合这些数据。”
在YSES – 1b上没有观察到这样的光谱特征，但出现了其他情况：在这颗系外行星周围的一个圆盘中发现了小粒橄榄石的特征。
橄榄石是一种在地球上火山环境中形成的矿物；品质特别优良的会形成橄榄石宝石。橄榄石也存在于陨石中，所以这种矿物似乎很容易在熔岩环境中形成。
然而，在YSES – 1b周围不应该以尘埃形式看到它。霍赫解释说，尘埃沉降是一个高效的过程，预计最长约500万年。YSES – 1星系估计约有1670万年的历史。富含橄榄石的尘埃有可能是在YSES – 1b附近轨道运行的天体之间碰撞产生的碎片，这意味着这些观测恰好赶上了宇宙时间中一个非常幸运的时刻。
这两组结果都非常惊人。
“我们曾希望在YSES – 1c的大气中探测到云层，因为从其光谱类型理论上推测它应该有多云的大气。但是，当我们看到这个特征时，它与在褐矮星中看到的其他硅酸盐特征大不相同，” 霍赫说。
“我们完全没想到会在内部行星YSES – 1b周围发现一个圆盘的证据。这绝对是个惊喜。”
所有最出色的天体物理学观测所提出的问题，至少和它们所解答的一样多。YSES – 1也不例外。YSES – 1b周围的圆盘就是一个大问题。我们对系外行星的大气，或者这些天体形成所需的时间也了解得不够。正在进行的对其他系外行星大气的直接研究，将有助于填补我们知识中的一些空白。
“我对这个结果也很兴奋，因为这项研究是由早期职业生涯的科学家主导的。我在还是一名研究生时，就提议使用JWST对这个行星系统进行成像，那时JWST还未发射，而且它最初也不是为观测系外行星而设计的，” 霍赫说。
“这篇论文的前五名作者，从一年级研究生到博士后研究员都有。我认为这凸显了支持早期职业生涯科学家的必要性，这对我来说是最令人兴奋的一个成果。”
这项研究已发表在《自然》（Nature）杂志上。
那些细沙云和橄榄石特征？这真不是科幻小说的情节吗？