01 系外行星大气：
目前最详细的细节披露
WASP-39b及其母星（左上）的艺术图。图源：NASA、ESA、CSA、J. Olmsted (STScI)
一颗距离地球700光年外的“热土星”，目前已经成为太阳系外被探索得最深入的行星。虽然之前的观测数据已经揭示了这颗行星大气层的个别成分，但韦布空间望远镜（JWST）的探测揭示了其大气化学成分前所未有的细节，并且提供了原子、分子的完整菜单。相关的五项研究结果发表于近期的《自然》杂志上。
这颗系外行星被命名为WASP-39b，围绕着室女座中的一颗恒星运行。WASP-39b是一颗气态巨行星，质量与土星相当，大小约为木星的三分之一，其轨道距离母星仅700万千米，比水星到太阳的距离近约八倍，表面温度高达900摄氏度。它在2022年8月下旬曾被各方新闻关注过，当时JWST在其大气层中发现了二氧化碳，这也是有史以来首次在系外行星大气中探测到二氧化碳。在三个月后，基于JWST不断得到的新观测数据，多项研究共同揭示了WASP-39b大气层的最细微的细节，天文学家甚至可以据此对系外行星的形成历史做出结论。
为了探测WASP-39b的大气成分，天文学家使用了透射光谱法，即JWST在WASP-39b经过其母星前方时进行光谱观测。此时，恒星的光会穿过WASP-39b的大气层，大气中不同类型的化学物质会吸收恒星光中不同波长的成分，因此光谱中缺失的部分就揭示了WASP-39b的大气成分。天文学家使用JWST搭载的三台仪器完成了此项观测：近红外相机（NIRCam）、近红外摄谱仪（NIRSpec）、近红外成像仪和无缝摄谱仪（NIRISS）。分析结果再次令人惊喜，天文学家首次在系外行星大气层中检测到了二氧化硫。二氧化硫是母星发出的高能光线与WASP-39b大气中的硫和硅酸盐成分发生化学反应而产生的分子。在地球上，高层大气中的臭氧层就是以类似的方式产生的。二氧化硫的存在，证实了光化学塑造了“热土星”WASP-39b的气候，而地球的气候也受到光化学的影响，因此我们的星球与“热土星”的共同点，比我们之前了解的要更多。
对于WASP-39b，JWST还探测到了其他成分，包括钠、钾和水蒸气。同时，一氧化碳也被检测到，但数据中没有明显的甲烷和硫化氢的特征。研究人员还计算了大气中碳与氧、钾与氧、硫与氢的比例。详细的化学成分让研究人员得以窥探WASP-39b的过去，并推断出这颗气态巨行星一定是通过几颗较小星子的碰撞而形成的。此外，大气中的氧丰度相比碳要高得多，这表明WASP-39b形成时离母星的距离比它今天的轨道要远得多。对于WASP-39b的观测和分析让天文学家相信，利用JWST，我们有能力和方法去探索更多的系外行星，甚至有可能发现系外行星上的生命。
02 首次听到来自火星的声音
毅力号火星车遭遇到尘暴的图像，由其携带的相机所拍摄。色彩范围表示了从最低尘埃含量（蓝色）到最高尘埃含量（黄色）。图源: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/ISAE-SUPAERO
从来自不同火星车拍摄的照片都能够看出，火星有着寒冷、贫瘠的表面；但我们还从没有听到过火星世界的声音。2022年12月13日发表在《自然通讯》(Nature Communications) 上的一篇新论文表明，毅力号火星车上的麦克风捕捉到了一次尘暴的尘埃颗粒撞击火星车的声音，这是有史以来第一次记录下来火星上的声音。
这段录音来自2021年9月27日的一次尘暴，也就是由尘埃和沙砾形成的小型龙卷风；当时正值毅力号火星车任务的第215个火星日。能够记录下声音是非常幸运的，因为毅力号上的麦克风并未连续开启，而是每隔几天只能记录167秒的音频。自2021年2月毅力号着陆以来，它已经探测到了近100个尘暴从其头顶掠过，而只有这次是在尘暴经过时麦克风处于打开的状态。声音可以让科学家了解到更多东西，这段录音就是了解火星尘暴结构、尘埃如何在火星传输等问题的关键。
通过录音，科学家可以听到并计算颗粒撞击火星车的次数，首次量化了尘暴中被风吹起的尘埃粒子数。录音记录了总共308次撞击，这些撞击又分布在三束尘埃粒子之中。第一束发生在尘暴涡旋的前缘开始经过毅力号时；第二束发生在涡旋的低压中心在毅力号上方旋转时，此时风声变得安静；第三束发生在涡旋后缘经过毅力号时，再次可以听到风声。而根据风声的强度，科学家可以准确测量出风速，大约为每小时40千米，风速很快，但与地球上尘暴的风速差不多。不同之处在于火星上的气压要低得多，以至于风速虽然一样，但推力只有相同风速在地球上产生的推力的1%。这不是强风，但显然足以将尘埃吹到空中，形成尘暴。这也意味着这些尘暴不太可能掀翻火星车，但它有助于吹走火星车太阳能电池板上的灰尘。
音频录音结合毅力号上其他仪器设备得到的图像和测量，科学家推断这个尘暴大约有25米宽，至少有118米高，以每秒5.3米的速度经过毅力号。并且科学家还发现了这个尘暴的一个奇特之处。通常认为，对于尘暴，大部分尘埃都应该集中在风速很高的涡旋壁上，而尘暴的中心，就像暴风眼，应该是相对平静和干净的。然而，这个尘暴涡旋的中央有一个明显的尘埃聚集，这非同寻常。目前，科学家还不完全确定上述现象的原因，但初步推断，可能是因为这个尘暴仍然处于形成的初始阶段。
03 被污染白矮星
揭示行星与恒星的共同
一颗大型小行星（右下）即将坠入白矮星的艺术图。图源: Amanda Smith
太阳系中的行星是何时形成的是天文学家一直试图解答的问题。天文学家曾经认为只有当恒星达到其最终大小时，行星才会开始形成。但最新的一项研究表明，行星的形成实际上要早得多，行星和恒星可能是一起“长大”的。《自然天文学》杂志于2022年11月14日刊登了该研究结果。
行星的形成被认为始于一个围绕着年轻的恒星运行的原行星盘，其主要组成成分包括氢、氦以及冰和尘埃组成的微小颗粒。根据目前的主流理论，尘埃颗粒相互粘附，形成越来越大的固体团块。较大团块中的一些将继续吸积，最终形成为行星，而另一些则以小行星的形式存在。形成过程虽然清晰，但悬而未决的问题是行星到底是何时形成的：是在中心恒星仍年幼时开始的？还是在数百万年后开始的？
有趣的是，关于行星形成的线索来自一个意想不到的地方：白矮星，它是类太阳恒星死亡后的遗骸。白矮星通常仅仅由氢和氦组成，但是有一些白矮星会被“污染”，它们的大气层中会含有镁、铁和钙等重元素。这些元素一定是来自小行星的（如上述的行星形成后遗留下来的小行星），它们撞击白矮星并在其大气层中燃烧殆尽，从而污染了大气层。天文学家可以通过分析被污染的白矮星大气的成分来推导小行星是由什么构成的，探究小行星的内部，并直接了解它们形成的条件。
由剑桥大学天文学家领导的这项研究，分析了来自附近星系的200颗受污染白矮星大气的光谱数据。研究人员发现，这些白矮星的大气中富含铁，这可能来自铁核小行星。而为了使小行星拥有一个铁核，它需要曾经熔化过，从而较重的铁元素得以沉入核心，而较轻的元素漂浮在表面。而使小行星熔化最有可能的热量来源，是铝的放射性形式（即铝26）的衰变。但铝26是寿命非常短暂的放射性元素，它只能存在不到一百万年，然后就会衰变，这在宇宙的时间尺度上只是一眨眼的时间。因此，为了让这些小行星含有与天文学家在白矮星大气中观测到的一样多的铁元素，这些小行星必须很早就形成，即与恒星本身形成的时间相同。
该项研究提供了行星和恒星共同成长的证据。这意味着我们太阳系中两个大个头——木星和土星，它们可能有足够的时间成长为目前的大小。此外，该研究中的被污染白矮星的大样本也表明，放射性熔化过程机制，可能在所有系外行星的形成过程中，都存在着普遍的影响。
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