當美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡于2021年發(fā)射升空時，它對天文學的最令人期待的貢獻之一就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：繞著紅矮星運行的小型巖石系外行星能否保持大氣層?

在《天體物理學雜志》上的四篇論文中，一組天文學家提出了一種使用韋伯確定巖石系外行星是否具有大氣的新方法。該技術涉及在行星經(jīng)過恒星之后再進入視野時測量其溫度，其速度比傳統(tǒng)的大氣探測方法(如透射光譜法)要快得多。

芝加哥大學的雅各布·比恩(Jacob Bean)說：“我們發(fā)現(xiàn)，韋伯可以輕易推斷出十幾個已知的巖石系外行星周圍的大氣存在與否，每個行星的觀測時間不到10小時。”文件。

由于許多原因，天文學家對系外行星繞紅矮星的軌道特別感興趣。這些恒星比太陽更小，更冷，是我們銀河系中最常見的恒星。另外，由于一個紅色矮星很小，因此比它像我們的太陽那樣大時，通過它前面的一顆行星似乎會阻擋更大部分的恒星光。這使得繞過紅矮星的行星更容易通過這種“過境”技術被發(fā)現(xiàn)。

紅矮星產(chǎn)生的熱量也比我們的太陽少得多，因此要享受宜居的溫度，一顆行星的運行軌道必須非常接近紅矮星。實際上，要處于宜居區(qū)域(即恒星周圍的液態(tài)水可能存在于行星表面的區(qū)域)中，行星的軌道必須比水星離太陽的軌道更近。結果，它將更頻繁地通過恒星，從而使重復觀測變得更加容易。

但是，如此靠近紅矮星運行的行星卻處于惡劣的條件下。年輕的紅矮星非?；钴S，爆發(fā)出巨大的耀斑和等離子爆發(fā)。恒星還散發(fā)出強烈的帶電粒子風。所有這些影響都可能沖走行星的大氣層，留下一塊裸露的巖石。

賓恩說：“大氣損失是對行星宜居性的第一大生存威脅。”系外行星接近紅矮星運行的另一個關鍵特征是這項新技術的核心：預計它們會被潮汐鎖定，這意味著它們在白天和夜晚都有永久性的存在。結果，我們看到了行星在其軌道上不同點的不同相位。當它穿過恒星的表面時，我們只能看到行星的夜色。但是，當它即將越過恒星(一個稱為次蝕)的事件，或者剛剛從恒星后面出現(xiàn)時，我們可以觀察到白天。

如果巖石系外行星缺乏大氣，那么它的白天會非常熱，就像我們在月球或水星上看到的那樣。但是，如果巖石系外行星有大氣層，那么預期該大氣層的存在會降低韋伯測量的日間溫度。它可以通過兩種方式做到這一點。濃厚的大氣層會通過風將熱量從白天傳到夜晚。稀薄的大氣層仍然可以容納云層，這些云層會反射一部分入射的星光，從而降低行星白天的溫度。

麻省理工學院的丹尼爾·科爾(Daniel Koll)解釋說：“每當增加氣氛時，都會降低白天的溫度。因此，如果我們看到的東西比裸露的巖石涼爽，我們就可以推斷這很可能是一種氣氛的跡象。” (MIT)，其中兩篇論文的主要作者。

Webb非常適合進行這些測量，因為它的鏡面比其他望遠鏡(例如，NASA的哈勃望遠鏡或Spitzer空間望遠鏡)大得多，這使它可以收集更多的光，并且可以瞄準適當?shù)募t外波長。

研究小組的計算表明，韋伯應該能夠在一到兩個次月蝕中探測到行星大氣的熱信號，而觀測時間只有幾個小時。相比之下，通過光譜觀察來探測大氣通常需要對這些相同的行星進行八次或更多次的轉(zhuǎn)換。

透射光譜法研究通過行星大氣層過濾的星光，但由于云或霧霾而受到干擾，這些干擾會掩蓋大氣層的分子特征。在那種情況下，光譜圖將基本上是平坦的，而不是由于分子而顯示出明顯的吸收線。

“在透射光譜學中，如果得到一條平線，它什么也沒告訴你。這條平線可能意味著宇宙中充滿了沒有大氣層的死行星，或者宇宙中充滿了具有大氣層的行星各種各樣的有趣的氣氛，但它們對我們來說都是一樣的，因為它們是陰天。”馬里蘭大學的Eliza Kempton說，他是其中三篇論文的合著者。