韦伯空间望远镜在岩石系行星上寻找大气的新方法

这位画家的印象是岩石状的系外行星，周围散布着淡淡的多云气息，环绕着一颗红色矮星。天文学家已经确定了一种新方法，该方法可以使韦伯在短短几个小时的观察时间内就能探测到系外行星的大气层。

当NASA的James Webb太空望远镜于2021年发射升空时，它对天文学的最令人期待的贡献之一就是对系外行星的研究。系外行星科学中最紧迫的问题之一是：绕着红矮星运行的小型岩石系外行星能否保持大气层？

在《天体物理学杂志》上的四篇论文中，一组天文学家提出了一种使用韦伯确定岩石系外行星是否具有大气的新方法。该技术涉及在行星经过恒星之后再进入视野时测量其温度，其速度比传统的大气探测方法（如透射光谱法）要快得多。

芝加哥大学的雅各布·比恩（Jacob Bean）说：“我们发现，韦伯可以轻易推断出十几个已知的岩石系外行星周围的大气存在与否，每个行星的观测时间不到10小时。”文件。

由于许多原因，天文学家对系外行星绕红矮星的轨道特别感兴趣。这些恒星比太阳更小，更冷，是我们银河系中最常见的恒星。另外，由于一个红色矮星很小，因此比它更大的恒星（如我们的太阳）通过的行星似乎会阻挡更大一部分的恒星光。这使得绕过红矮星的行星更容易通过这种“过境”技术被发现。

红矮星产生的热量也比我们的太阳少得多，因此要享受宜居的温度，一颗行星的运行轨道必须与红矮星非常接近。实际上，要进入宜居区域，即恒星周围的液态水可能存在于行星表面的区域，行星的运行轨道必须比水星与太阳的轨道更接近恒星。结果，它将更频繁地通过恒星，从而使重复观测变得更加容易。

但是，一颗如此接近红矮星运行的行星要经受严酷的条件。年轻的红矮星非常活跃，爆发出巨大的耀斑和等离子爆发。恒星还散发出强烈的带电粒子风。所有这些影响都可能冲走行星的大气层，留下一块裸露的岩石。

Bean说：“大气损失是对行星宜居性的第一大生存威胁。”

系外行星绕红矮星运行的另一个关键特征是这项新技术的核心：预计它们会被潮汐锁定，这意味着它们在白天和夜晚都将保持永久状态。结果，我们在行星的轨道上的不同点看到了行星的不同相位。当它穿过恒星的表面时，我们只能看到行星的夜色。但是，当它即将越过恒星（一次称为日食的事件），或者刚刚从恒星后面出现时，我们可以观察到白天。

如果岩石系外行星缺乏大气，那么它的白天会非常热，就像我们在月球或水星上看到的那样。但是，如果岩石系外行星具有大气层，那么预期该大气层的存在会降低韦伯测量的日间温度。它可以通过两种方式做到这一点。浓厚的大气层会通过风将热量从白天传到夜晚。稀薄的大气层仍然可以容纳云层，这些云层反射了入射的星光的一部分，从而降低了地球白天的温度。

“无论何时增加气氛，都将降低白天的温度。因此，如果我们看到的东西比裸露的岩石凉爽，我们就可以推断它可能是大气的迹象。”这两篇论文的主要作者，麻省理工学院（MIT）的丹尼尔·科尔（Daniel Koll）解释说。

韦伯非常适合进行这些测量，因为它的镜面比美国国家航空航天局（NASA）的哈勃望远镜或斯必泽太空望远镜等其他望远镜要大得多，它可以收集更多的光，并且可以瞄准适当的红外波长。

研究小组的计算表明，韦伯应该能够在一到两个次月食中探测到行星大气的热信号，而观测时间只有几个小时。相比之下，通过光谱观察来探测大气通常需要为这些相同的行星进行八次或更多次的转换。

透射光谱法研究穿过行星大气层过滤的星光，同时由于云或雾霾而受到干扰，而云雾或霾可以掩盖大气层的分子特征。在那种情况下，光谱图将基本上是平坦的，而不是由于分子而显示出明显的吸收线。

“在透射光谱学中，如果得到一条平线，它不会告诉您任何信息。扁平线可能意味着宇宙中充满了没有大气层的死行星，或者宇宙中充满了一系列充满压力，有趣的大气层的行星，但是它们对我们来说看起来都是一样的，因为它们这三篇论文的合著者，马里兰大学的伊丽莎·肯普顿（Eliza Kempton）说。

她补充说：“没有云层和阴霾的系外行星大气就像独角兽，我们还没有看到它们，它们可能根本不存在。”

研究小组强调，将白天的温度降到比预期低的温度是一个重要的线索，但是这并不能绝对地确认存在大气。可以通过其他方法（例如透射光谱法）进行后续研究来排除对大气层存在的任何疑问。

这项新技术的真正优势将在于确定岩石系外行星可能占大气层的比例。在过去的一年中，大约有十二个系外行星是该方法的理想候选者。Webb投入运营时，可能会发现更多信息。

肯普顿说：“过境系外行星调查卫星（TESS）正在发现这些行星的堆积。”

次蚀方法有一个关键的局限性：它在太热而无法位于宜居区域的行星上效果最佳。但是，确定这些炽热的行星是否具有大气层对可居住区的行星具有重要意义。

“如果热行星能够保持大气层，则较冷的行星至少也应该能够保持大气层，”科尔说。

詹姆斯·韦伯（James Webb）太空望远镜将于2021年发射升空，它将是世界上最重要的太空科学天文台。韦伯将解决我们太阳系中的谜团，将目光投向其他恒星周围的遥远世界，并探索宇宙的神秘结构和起源以及我们在宇宙中的位置。Webb是由NASA及其合作伙伴ESA（欧洲航天局）和加拿大航天局领导的国际项目。