利用韦伯望远镜勘察潜在宜居星球

系外行星在我们的银河系中很常见，有些甚至在其恒星所谓的宜居带内运行。NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜一直在忙于观察这些小型、可能宜居的行星，天文学家现在正在努力分析韦伯数据。我们邀请了 NASA 戈达德太空飞行中心的两位韦伯项目科学家 Knicole Colón 博士和 Christopher Stark 博士，向我们详细介绍研究这些其他世界的挑战：

“潜在宜居行星通常被定义为大小与地球相似、在其恒星的‘宜居区’内运行的行星，在这个区域内，行星的温度可能适合液态水在其表面存在。我们目前知道大约有 30 颗行星可能像地球一样小，由岩石组成，并且轨道位于宜居区内。然而，没有人能保证在宜居区内运行的行星真的适合居住(可以维持生命)，更不用说有人居住了(目前支持生命)。在撰写本文时，只有一颗已知的宜居和有人居住的行星——地球。

“韦伯正在观测的潜在宜居星球都是凌日系外行星，这意味着它们的轨道几乎是边缘的，因此它们会从主恒星前面经过。当行星经过其恒星前面时，韦伯会利用这种方向进行透射光谱分析。这种方向使我们能够检查透过行星大气层的星光，以了解它们的化学成分。

“然而，小型岩石行星稀薄的大气层所阻挡的星光量非常小，通常远小于 0.02%。仅仅探测这些小行星周围的大气层就已经非常具有挑战性。而识别可能增加宜居性可能性的水蒸气的存在则更加困难。寻找生物特征(生物产生的气体)非常困难，但也是一项令人兴奋的事业。

“目前只有少数几个小型、可能适合居住的行星被认为可以通过韦伯望远镜进行大气表征，其中包括行星 LHS 1140 b 和 TRAPPIST-1 e。

“最近一些理论研究探索了超级地球大小的行星 LHS 1140 b 大气中气态分子的可探测性，突出了寻找生物特征的几个挑战。这项研究指出，在最佳情况下，即大气晴朗无云的情况下，需要该行星绕其主星运行大约 10-50 次，相当于用韦伯望远镜观察 40-200 小时，才能尝试检测潜在的生物特征，例如氨、磷化氢、氯甲烷和一氧化二氮。

“由于 LHS 1140 系统在天空中的位置，韦伯无法全年观测该系统，因此收集 50 次 LHS 1140 b 的凌日观测数据需要数年甚至近十年的时间。如果行星大气多云，寻找生物特征可能需要超过 50 次凌日观测。众所周知，大多数小型系外行星都有云层或雾霾，会减弱或遮蔽正在搜索的信号。这些生物特征气体的大气信号也往往与其他预期的大气信号重叠(例如由于气态甲烷或二氧化碳)，因此区分各种信号是另一个挑战。

“寻找生物特征的一个潜在途径是研究海西恩行星，海西恩行星是理论上的一类超级地球大小的行星，拥有相对较薄的富氢大气层和大量液态水海洋。根据韦伯和其他天文台目前的数据，超级地球 K2-18 b 是潜在宜居海西恩行星的候选者。

“最近发表的研究使用 NIRSpec 和 NIRISS 探测到了 K2-18 b 大气中的甲烷和二氧化碳，但没有探测到水。这意味着 K2-18 b 是一个拥有液态水海洋的 Hycean 世界的说法仍然基于理论模型，尚未有直接的观察证据。该研究的作者还暗示了 K2-18 b 大气中可能存在潜在的生物特征二甲基硫醚，但潜在的二甲基硫醚信号太弱，无法在当前数据中进行确凿的检测。