尋找系外行星甚至生命！最強大的韋伯太空望遠鏡能否開創歷史？

2023-04-01 20:39:07

2021年，美國宇航局的下一代天文臺——詹姆斯·韋伯的0+望遠鏡(JWST)也將進入0+軌道。一旦投入運行，這個史詩般的任務將接替其他望遠鏡，如哈勃、克卜勒和斯皮策，成為地球的另一隻「眼睛」。這意味著，除了研究宇宙中一些最大的奧秘，它還將尋找可能適合居住的系外行星，並試圖確定它們的大氣特徵。

詹姆斯·韋伯空望遠鏡(JWST)

這是JWST不同於其前身的部分原因。憑藉其高靈敏度和紅外成像能力，它將能夠以前所未有的方式收集太陽系外大氣的數據。然而，美國國家航空航天局最近支持的一項研究表明，大氣稠密的行星也可能有大範圍的雲層覆蓋，但是韋伯的空望遠鏡可以克服這一挑戰。

多年來，天文學家一直在使用過渡光度學。中天法通過監測遙遠恆星的亮度變化來探測系外行星。這種方法在確定某些行星的大氣成分方面也證明是有用的。當這些天體從它們的恆星前面經過時，光線會穿過它們的大氣層，然後分析大氣層的光譜，看看有什麼化學元素。

到目前為止，這種方法在觀測繞太陽運行很遠的大質量行星(氣態巨行星和「超級木星」)方面很有用。然而，觀察軌道更靠近太陽的較小巖石行星(即「類地行星」)使它們處於恆星的可居住區內，這超出了太空望遠鏡的能力。

宜居星球:生命的關鍵

由於這個原因，天文學家一直期待著像JWST這樣的下一代望遠鏡的出現。通過探測巖石行星的大氣光譜(一種稱為透射光譜的方法)，科學家將能夠尋找氧氣、二氧化碳、甲烷和其他與生命相關的信號(即生命的跡象)。

生命的另一個關鍵元素是水，因此行星大氣中水蒸氣的特性將是未來研究的主要目標。但是在芝加哥大學地球物理科學系的博士後研究員薩德烏斯·科馬克領導的一項新研究中，任何有大量地表水的行星的大氣中也可能有大量的雲，這些雲實際上是濃縮的冰粒。

在這項研究中，馬塞克和他的同事研究了這些雲是否會干擾對像地球這樣的系外行星大氣中水蒸氣的探測。近年來，在M型(紅矮星)恆星的可居住區(如比鄰星b)發現了大量的巖石系外行星，因此附近的紅矮星將是未來研究的重點。

圍繞紅矮星運行的潮汐鎖定行星非常適合研究透射光譜——原因如下:

與圍繞類似太陽的恆星運行的行星相比，圍繞紅矮星運行的過境行星是更有利的目標，因為行星大小與恆星大小之比更大。發射信號的大小等於行星大小與恆星大小之比的平方，因此比地球小的恆星接收到的信號將顯著增強。

考慮到這一點，科馬克和他的團隊使用了兩個模型來生成圍繞M型恆星的潮汐鎖定行星的合成透射光譜。第一個是由科羅拉多大氣大學和空物理實驗室(LASP)的埃裡克·沃爾夫博士開發的ExoCAM。LASP是一個用來模擬地球氣候的社區地球系統模型(CESM)，它已被應用於研究系外行星的大氣。

模擬研究的結果

利用ExoCAM模型，他們模擬了紅矮星周圍巖石行星的氣候。其次，他們使用美國宇航局戈達德空飛行中心開發的行星光譜發生器來模擬JWST從模擬行星上探測到的發射光譜。正如科馬克解釋的那樣:

ExoCAM模擬計算了溫度、水汽混合比、液態水和冰水雲粒子的三維分布。我們發現紅矮星周圍的行星比地球上的行星更加渾濁。這是因為它們全天的天氣與地球的熱帶地區相似，所以水蒸氣很容易上升到低壓，在那裡它可以凝結並形成雲，覆蓋地球一天的大部分時間。該研究給出了行星在傳輸過程中的表觀尺寸和波長之間的函數關係以及不確定性的結果。通過觀察信號大小如何隨波長變化，我們可以確定水蒸氣特徵的大小，並將其與不確定性進行比較。

在這兩個模型之間，團隊能夠模擬有和沒有雲層覆蓋的行星，以及JWST能夠探測到的結果。在前一種情況下，他們發現外行星大氣中的水蒸氣幾乎可以被探測到。他們還發現，對於地球大小的系外行星，只需要10次或更少的凌日。

科馬切克說:「當我們考慮到雲層的影響時，JWST探測水汽所需的過境次數增加了10到100倍。對於一顆給定的行星，JWST可以觀測到多少次凌日是有自然限制的，因為JWST的名義任務壽命是5年，而傳輸觀測只能在行星經過我們和它的主星之間時進行。」

他們還發現，雲層對圍繞紅矮星緩慢旋轉的行星的影響尤其強烈。基本上，處於公轉周期超過12天的行星會在其太陽表面經歷更多的雲形成。對於像TRAPPIST-1(已知最有利的目標)這樣的行星，JWST將無法觀測到足夠的凌日來探測水蒸氣。

事實上，這些結果與其他研究者注意到的相似。去年，美國國家航空航天局戈達德太空中心的研究人員進行了一項研究，研究表明雲層會使水蒸氣在特拉普斯特1號行星的大氣層中無法被探測到。本月早些時候，另一項由美國國家航空航天局資助的研究表明，雲層如何能夠降低水蒸氣的振幅，達到JWST將水蒸氣作為背景噪音消除的程度。

然而，本研究確實就如何克服這些局限性提出了一些建議。例如，如果任務時間是一個因素，JWST任務可以延長，以便科學家有更多的時間收集數據。美國國家航空航天局(美國航天局)希望該望遠鏡能使用10年。已經有可能擴大其使命。同時，降低檢測的信噪比閾值可以從頻譜中選擇更多的信號。此外，科馬克和他的同事肯定會指出，這些結果僅適用於系外行星雲以下的特徵:

「因為水蒸氣大部分被困在水雲之下，圍繞紅矮星運行的行星上的強大雲層使得探測水蒸氣特性變得非常困難。重要的是，JWST預計能夠限制二氧化碳和甲烷等關鍵大氣成分的存在，只需十幾次穿越。」