当美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在2021年发射时，它对天文学最令人期待的贡献之一将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：一颗靠近红矮星的小型岩石系外行星能否保持住大气层？在《天体物理学》期刊上发表的一系列四篇研究中，一个天文学家团队提出了一种利用韦伯太空望远镜来确定岩石系外行星是否有大气的新方法。这项技术涉及测量行星经过其恒星后方，然后返回视线时的温度，比透射光谱法等更传统的大气探测方法要快得多。
芝加哥大学的雅各布·比恩(Jacob Bean)是其中三篇论文的合著者，他说：我们发现，韦伯太空望远镜可以很容易地推断出十几个已知岩石系外行星周围大气的存在或不存在，每颗行星的观测时间不到10小时。天文学家对围绕红矮星运行的系外行星特别感兴趣，原因有很多。这些恒星比太阳更小，温度更低，是银河系中最常见的恒星类型。此外，因为红矮星很小，一颗行星经过它前面时，看起来会阻挡更多恒星光线，而如果恒星更大，就像我们的太阳一样。
这使得围绕红矮星运行的行星，通过这种“凌日”技术更容易被探测到。红矮星产生的热量也比太阳少得多，所以为了享受适宜居住的温度，行星需要在离红矮星相当近的轨道上运行。事实上，要想处于宜居地带（恒星周围的区域，行星表面可能存在液态水）行星的轨道必须比水星到太阳的距离近得多。因此，它将更频繁地凌日恒星，使重复观察变得更容易。但是一颗离红矮星这么近的行星，会受到恶劣的条件的影响。年轻的红矮星非常活跃，爆发出巨大的耀斑和等离子体爆发。
恒星也会发出带电粒子强风，所有这些影响都有可能冲走行星的大气层，留下一块光秃秃的岩石，大气损失是行星宜居性的头号生存威胁。在红矮星附近运行的系外行星另一个关键特征是新技术的核心：它们预计会被潮汐锁定，这意味着它们有永久的日侧和夜侧。结果，我们在其轨道上的不同点上看到了行星不同阶段。当它穿过恒星的表面时，只能看到行星的夜面，但是当它即将从恒星后面穿过(一种被称为二次日食的事件)，或者刚刚从恒星后面出现时，就可以观察到日面。
如果一颗岩质系外行星缺少大气层，它的日侧就会非常热，就像在月球或水星上看到的一样。然而，如果一颗岩石系外行星有大气层，那么大气层的存在预计会降低韦伯太空望远镜测量的日侧温度。它可以通过两种方式做到这一点。厚厚的大气层可以通过风将热量从日侧输送到夜侧，更稀薄的大气可能仍然拥有云层，这些云层反射进来的星光的一部分，从而降低了地球日侧的温度。其中两篇论文的主要作者、麻省理工学院(MIT)的丹尼尔·科尔(Daniel Koll)解释道：每当添加大气时，就会降低日光下的温度。
因此，如果我们看到比裸露的岩石更冷的东西，就能推断这很可能是大气的迹象。韦伯太空望远镜非常适合进行这些测量，因为它的镜面比其他望远镜（如美国宇航局的哈勃或斯皮策太空望远镜）要大得多，这使得它可以收集更多的光，并且它可以瞄准合适的红外波长。研究计算表明，韦伯太空望远镜应该能够在一到两次二次日食中探测到行星大气的热特征——只需要几个小时的观测时间。相比之下，通过光谱观测探测大气通常需要对这些相同的行星进行八次或更多的凌日观测。
研究过滤通过地球大气层的星光透射光谱学，也会受到云层或阴霾的干扰，这可能会掩盖大气层的分子特征。在这种情况下，光谱图，而不是显示明显的吸收线，由于分子，将基本上是平坦的。马里兰大学的伊莱扎·肯普顿(Eliza Kempton)是其中三篇论文的合著者之一，他说：在透射光谱学中，如果得到一条平坦的线条，它不会告诉你任何事情。平面线可能意味着宇宙中充满了没有大气层的死亡行星，或者宇宙中充满了各种不同、有趣的大气层行星，但它们在我们看来都是一样的，因为它们都是多云的。
没有云和霾的系外行星大气就像独角兽——我们只是还没有看到它们，它们也可能根本就不存在。低于预期的日侧温度将是一个重要线索，但这并不能绝对证实大气的存在。任何关于大气存在的剩余怀疑，都可以通过使用其他方法（如透射光谱学）的后续研究来排除。这项新技术的真正力量，将在于确定多少部分的岩石系外行星可能有大气。在过去的一年中，大约有十几颗系外行星被探测到，它们是这种方法很好的候选者。到韦伯太空望远镜开始运行时，可能会发现更多。
凌日系外行星调查卫星苔丝号（TESS），正在寻找成堆的这些行星，。二次日食方法有一个关键的限制：它在太热而不能位于宜居地带的行星上工作得最好。然而，确定这些炎热的行星，是否拥有大气层对宜居带行星有着重要的影响。如果炎热的行星能保持住大气层，那么较冷的行星至少也能保持住大气层。詹姆士·韦伯太空望远镜将于2021年发射升空，届时将成为世界上首屈一指的空间科学观测站。韦伯将解开太阳系的谜团，放眼其他恒星周围遥远的世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源，以及我们在宇宙中的位置。
博科园｜研究/来自：美国宇航局
参考期刊《arxiv》《天体物理学》
Cite: arXiv:1907.13138
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