JWST具备探测系外卫星和测量行星扁率所需的灵敏度,,前提是存在合适的目标
日期: 2026年7月14日
主打图片: [系外卫星环绕气态巨行星的艺术想象图; 图片来源: NASA/JPL-Caltech]
詹姆斯·韦布空间望远镜具备探测系外卫星和测量巨行星旋转扁率的原始灵敏度，但最大的障碍并非仪器本身，而是合适目标的短缺。
普林斯顿大学的Le-Chris Wang和Joshua Winn完成了一项新研究，已被《天体物理杂志通讯》接收。该研究首次系统评估了JWST可以对多少颗已知凌星巨行星实际进行卫星和扁率信号搜索。答案在很大程度上取决于主星类型、噪声性能以及行星自转轴的朝向，但论文在类太阳恒星周围分别识别出约10个有利于每种测量的系统。
“瓶颈不在于望远镜的灵敏度，”作者写道，”而在于巡天的不完备性。”
系外卫星的搜寻
尽管经过了数十年的搜索，迄今尚未在任何系外行星周围明确探测到系外卫星。论文聚焦于宽轨道上的长周期巨行星，在那里卫星和快速旋转可以抵御潮汐力，否则它们将被剥离。
探测方法是凌星测光法：当一颗卫星与其宿主行星分开凌星时，会在星光中产生额外的变暗信号。研究假设了一个乐观场景，即卫星凌星在时间上与行星凌星完全分离。对于木卫三大小的卫星，JWST可以利用其白光测光精度在类太阳恒星周围的约9个系统中探测到信号。
将质量更低的M矮星作为主星纳入后，有利系统的数量大幅扩展至约172个，因为较小的恒星会使凌星信号相对更大。关键的JWST仪器是NIRISS/SOSS、NIRSpec/PRISM和NIRSpec/G395H，它们提供了所需的测光精度。
解读行星的形状
行星扁率（即行星由于快速旋转而在两极处被压扁的程度）可以通过凌星光变曲线中的细微不对称性来测量。当一颗扁率行星横越其恒星时，进入和离开阶段会显示出特征性波动。对于一颗木星大小、土星状扁率的行星，波动幅度在百万分之100到200的水平。
扁率参数通过Darwin-Radau关系直接与行星的自转速率和内部结构相联系。测量扁率可以约束行星的转动惯量，并揭示其是否拥有核心以及内部物质向中心聚集的程度。这些信息对于凌星系外行星而言无法通过任何其他方式获得。
论文发现，在自转轴偏移10度或以上的现实假设下，类太阳恒星周围约有10个系统有利于扁率探测。如果大多数巨行星具有像木星3度那样的小倾角，探测数量将降为零。将范围扩展到所有主星后，有利系统的数量增加到约79个。
噪声问题
最大的技术挑战是JWST探测器中与时间相关的噪声。在1到10小时的时间尺度上，仅几十ppm的噪声基底就可以完全消除原本有利系统中的探测信号。
研究使用了基于27条已发表的JWST白光的经验噪声模型。关键发现：NIRISS/SOSS在明亮目标上的性能比预测低约2.4倍。Cassese和Kipping在配套论文中发表的候选系统Kepler-167e的最新观测结果说明了这一问题：10小时曝光中约600ppm的曝光时长趋势阻止了对扁率或卫星的明确确认。
未来展望
论文强烈鼓励对长周期凌星巨行星进行更广泛的巡天。大多数最佳候选者可能尚未被发现。计划中的任务，如欧空局的PLATO和中国的Earth 2.0巡天，预计将大幅增加合适目标的目录。
目前，最有希望的系统包括TOI-199 b、TOI-2449 b、TOI-4600 c和Kepler-167 e。Kepler-167 e系统计划于2027年10月进行第二次JWST凌星观测，这可能打破早期模糊数据中星点信号与可能的洛希掠食系外卫星之间的简并。
论文的结论是：JWST在技术上有能力提供系外行星科学中两个最令人期待的成果,,它只是需要更多的行星来观测。
婷 翻译