當美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在2021年發(fā)射時，它對天文學最令人期待的貢獻之一將是對系外行星的研究。系外行星科學中最緊迫的問題之一是：一顆靠近紅矮星的小型巖石系外行星能否保持住大氣層？

在《天體物理學》期刊上發(fā)表的一系列四篇研究中，一個天文學家團隊提出了一種利用韋伯太空望遠鏡來確定巖石系外行星是否有大氣的新方法。這項技術涉及測量行星經過其恒星后方，然后返回視線時的溫度，比透射光譜法等更傳統(tǒng)的大氣探測方法要快得多。

芝加哥大學的雅各布·比恩(Jacob Bean)是其中三篇論文的合著者，他說：我們發(fā)現，韋伯太空望遠鏡可以很容易地推斷出十幾個已知巖石系外行星周圍大氣的存在或不存在，每顆行星的觀測時間不到10小時。天文學家對圍繞紅矮星運行的系外行星特別感興趣，原因有很多。這些恒星比太陽更小，溫度更低，是銀河系中最常見的恒星類型。此外，因為紅矮星很小，一顆行星經過它前面時，看起來會阻擋更多恒星光線，而如果恒星更大，就像我們的太陽一樣。

這使得圍繞紅矮星運行的行星，通過這種“凌日”技術更容易被探測到。紅矮星產生的熱量也比太陽少得多，所以為了享受適宜居住的溫度，行星需要在離紅矮星相當近的軌道上運行。事實上，要想處于宜居地帶（恒星周圍的區(qū)域，行星表面可能存在液態(tài)水）行星的軌道必須比水星到太陽的距離近得多。因此，它將更頻繁地凌日恒星，使重復觀察變得更容易。但是一顆離紅矮星這么近的行星，會受到惡劣的條件的影響。年輕的紅矮星非?；钴S，爆發(fā)出巨大的耀斑和等離子體爆發(fā)。

恒星也會發(fā)出帶電粒子強風，所有這些影響都有可能沖走行星的大氣層，留下一塊光禿禿的巖石，大氣損失是行星宜居性的頭號生存威脅。在紅矮星附近運行的系外行星另一個關鍵特征是新技術的核心：它們預計會被潮汐鎖定，這意味著它們有永久的日側和夜側。結果，我們在其軌道上的不同點上看到了行星不同階段。當它穿過恒星的表面時，只能看到行星的夜面，但是當它即將從恒星后面穿過(一種被稱為二次日食的事件)，或者剛剛從恒星后面出現時，就可以觀察到日面。

如果一顆巖質系外行星缺少大氣層，它的日側就會非常熱，就像在月球或水星上看到的一樣。然而，如果一顆巖石系外行星有大氣層，那么大氣層的存在預計會降低韋伯太空望遠鏡測量的日側溫度。它可以通過兩種方式做到這一點。厚厚的大氣層可以通過風將熱量從日側輸送到夜側，更稀薄的大氣可能仍然擁有云層，這些云層反射進來的星光的一部分，從而降低了地球日側的溫度。其中兩篇論文的主要作者、麻省理工學院(MIT)的丹尼爾·科爾(Daniel Koll)解釋道：每當添加大氣時，就會降低日光下的溫度。

因此，如果我們看到比裸露的巖石更冷的東西，就能推斷這很可能是大氣的跡象。韋伯太空望遠鏡非常適合進行這些測量，因為它的鏡面比其他望遠鏡（如美國宇航局的哈勃或斯皮策太空望遠鏡）要大得多，這使得它可以收集更多的光，并且它可以瞄準合適的紅外波長。研究計算表明，韋伯太空望遠鏡應該能夠在一到兩次二次日食中探測到行星大氣的熱特征——只需要幾個小時的觀測時間。相比之下，通過光譜觀測探測大氣通常需要對這些相同的行星進行八次或更多的凌日觀測。

研究過濾通過地球大氣層的星光透射光譜學，也會受到云層或陰霾的干擾，這可能會掩蓋大氣層的分子特征。在這種情況下，光譜圖，而不是顯示明顯的吸收線，由于分子，將基本上是平坦的。馬里蘭大學的伊萊扎·肯普頓(Eliza Kempton)是其中三篇論文的合著者之一，他說：在透射光譜學中，如果得到一條平坦的線條，它不會告訴你任何事情。平面線可能意味著宇宙中充滿了沒有大氣層的死亡行星，或者宇宙中充滿了各種不同、有趣的大氣層行星，但它們在我們看來都是一樣的，因為它們都是多云的。

沒有云和霾的系外行星大氣就像獨角獸——我們只是還沒有看到它們，它們也可能根本就不存在。低于預期的日側溫度將是一個重要線索，但這并不能絕對證實大氣的存在。任何關于大氣存在的剩余懷疑，都可以通過使用其他方法（如透射光譜學）的后續(xù)研究來排除。這項新技術的真正力量，將在于確定多少部分的巖石系外行星可能有大氣。在過去的一年中，大約有十幾顆系外行星被探測到，它們是這種方法很好的候選者。到韋伯太空望遠鏡開始運行時，可能會發(fā)現更多。

凌日系外行星調查衛(wèi)星苔絲號（TESS），正在尋找成堆的這些行星，。二次日食方法有一個關鍵的限制：它在太熱而不能位于宜居地帶的行星上工作得最好。然而，確定這些炎熱的行星，是否擁有大氣層對宜居帶行星有著重要的影響。如果炎熱的行星能保持住大氣層，那么較冷的行星至少也能保持住大氣層。詹姆士·韋伯太空望遠鏡將于2021年發(fā)射升空，屆時將成為世界上首屈一指的空間科學觀測站。韋伯將解開太陽系的謎團，放眼其他恒星周圍遙遠的世界，探索我們宇宙的神秘結構和起源，以及我們在宇宙中的位置。

博科園｜研究/來自：美國宇航局

參考期刊《arxiv》《天體物理學》

Cite: arXiv:1907.13138

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