韦伯太空望远镜测量岩石系外行星的温度

一个国际研究小组使用NASA/ESA/CSA詹姆斯韦伯太空望远镜测量了岩石系外行星TRAPPIST-1b的温度。该测量基于行星的热辐射：韦伯的中红外线仪器(MIRI)检测到的以红外线形式释放的热能。

结果表明，这颗行星的日面温度约为500开尔文(约230°C)，表明它没有明显的大气层。这是首次探测到与我们太阳系中的岩石行星一样小但温度低的系外行星发出的任何形式的光。这一结果标志着在确定围绕像TRAPPIST-1这样的小型活跃恒星运行的行星是否能够维持维持生命所需的大气层方面迈出的重要一步。这也预示着韦伯有能力使用MIRI来描述温带地球大小的系外行星。

“这些观测确实利用了韦伯的中红外能力，”美国宇航局艾姆斯研究中心的天体物理学家、今天发表在《自然》杂志上的这项研究的主要作者ThomasGreene说。“以前的望远镜都没有灵敏度来测量这种暗淡的中红外光。”

围绕超冷红矮星运行的岩石行星

2017年初，天文学家报告称发现了七颗岩石行星，它们围绕一颗距离地球40光年的超冷红矮星(或M矮星)运行。这些行星的显着之处在于它们在大小和质量上与我们太阳系内部的岩石行星相似。尽管它们都比我们的任何行星绕太阳公转更靠近它们的恒星——它们都可以舒适地适合水星的轨道——它们从它们的小恒星接收相当数量的能量。

TRAPPIST-1b是最内层的行星，其轨道距离约为地球的百分之一，接收的能量约为地球从太阳获得的能量的四倍。虽然它不在该系统的宜居带内，但对该行星的观测可以提供有关其兄弟行星以及其他M-矮星系统的重要信息。

“银河系中这些恒星的数量是太阳等恒星的十倍，而它们拥有岩石行星的可能性是太阳等恒星的两倍，”格林解释道。“但它们也非常活跃——它们年轻时非常明亮，它们发出的耀斑和X射线可以摧毁大气层。”

来自法国CEA的合著者ElsaDucrot是对TRAPPIST-1系统进行初步研究的团队成员，她补充说：“更容易描述更小、更冷的恒星周围的类地行星。如果我们想了解M周围的宜居性恒星，TRAPPIST-1系统是一个很棒的实验室。这些是我们观察岩石行星大气层的最佳目标。”

之前使用NASA/ESA哈勃太空望远镜以及NASA的斯皮策太空望远镜对TRAPPIST-1b进行的观测没有发现大气层存在膨胀的证据，但无法排除存在致密大气层的可能性。

减少不确定性的一种方法是测量地球的温度。“这颗行星被潮汐锁定，一侧始终面向恒星，另一侧始终处于黑暗中，”该论文的合著者、来自CEA的Pierre-OlivierLagage说。“如果它有大气循环和重新分配热量，白天会比没有大气时凉爽。”

该团队使用了一种称为二次日食光度法的技术，其中MIRI测量了当行星移动到恒星后面时系统的亮度变化。尽管TRAPPIST-1b的温度还不足以发出可见光，但它确实会发出红外光。通过从恒星和行星的总亮度中减去恒星自身(在二次月食期间)的亮度，他们能够成功地计算出行星发出了多少红外光。

测量亮度的微小变化

韦伯探测到二次日食本身就是一个重要的里程碑。由于恒星比行星亮1,000多倍，亮度变化小于0.1%。

分析数据的湾区环境研究所博士后研究员泰勒贝尔说：“还有一些人担心我们会错过日食。行星相互牵引，因此轨道并不完美。”.“但这真是太神奇了：我们在数据中看到的日食时间在几分钟内与预测时间相符。”

对来自五个独立的二次日食观测数据的分析表明，TRAPPIST-1b的白天温度约为500开尔文，或大约230°C。该团队认为最有可能的解释是该行星没有大气层。

Ducrot解释说：“我们将结果与显示不同情况下温度应该是多少的计算机模型进行了比较。”“结果几乎与由裸露岩石构成的黑体完全一致，没有大气来循环热量。我们也没有看到任何光被二氧化碳吸收的迹象，这在这些测量中很明显。”

这项研究是作为保证时间观测(GTO)计划1177的一部分进行的，该计划是八个经批准的GTO和一般观察员(GO)计划之一，旨在帮助全面表征TRAPPIST-1系统。TRAPPIST-1b的其他二次日食观测目前正在进行中，现在他们知道数据有多好，团队希望最终捕捉到显示整个轨道亮度变化的完整相位曲线。这将使他们能够看到从白天到夜晚的温度如何变化，并确认行星是否有大气层。

“有一个目标是我梦寐以求的，”Lagage说，他从事MIRI仪器的开发已有20多年。“就是这颗行星。这是我们第一次探测到一颗岩石质温带行星的辐射。这是发现系外行星的故事中非常重要的一步。”