天文学家提出了一种在岩石世界中寻找大气的新方法

当美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜于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，因此比它像我们的太阳那样大时，通过它前面的一颗行星似乎会阻挡更大部分的恒星光。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非常接近红矮星。实际上，要处于宜居区域(即恒星周围的液态水可能存在于行星表面的区域)中，行星的轨道必须比水星离太阳的轨道更近。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，如此靠近红矮星运行的行星却处于恶劣的条件下。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。

宾恩说：“大气损失是对行星宜居性的第一大生存威胁。”系外行星接近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有永久性的存在。结果，我们看到了行星在其轨道上不同点的不同相位。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(一个称为次蚀)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，这些云层会反射一部分入射的星光，从而降低行星白天的温度。

麻省理工学院的丹尼尔·科尔(Daniel Koll)解释说：“每当增加气氛时，都会降低白天的温度。因此，如果我们看到的东西比裸露的岩石凉爽，我们就可以推断这很可能是一种气氛的迹象。” (MIT)，其中两篇论文的主要作者。

Webb非常适合进行这些测量，因为它的镜面比其他望远镜(例如，NASA的哈勃望远镜或Spitzer空间望远镜)大得多，这使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蚀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对这些相同的行星进行八次或更多次的转换。

透射光谱法研究通过行星大气层过滤的星光，但由于云或雾霾而受到干扰，这些干扰会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，它什么也没告诉你。这条平线可能意味着宇宙中充满了没有大气层的死行星，或者宇宙中充满了具有大气层的行星各种各样的有趣的气氛，但它们对我们来说都是一样的，因为它们是阴天。”马里兰大学的Eliza Kempton说，他是其中三篇论文的合著者。

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