韦伯让研究人员能够使用新方法寻找遥远行星的大气层

天文学研究的主要目标是寻找地球以外可能适合生命生存的行星。许多科学家认为，行星适宜居住的因素有很多，但其中最重要的一个是行星是否有大气层。

科学家们已经发现了其他由岩石构成的类地系外行星，但我们不能确定其中任何一颗行星有大气层。发现这些行星将揭示大气层形成和保留的奥秘，这样我们就能更好地预测哪些行星可能适合居住。

芝加哥大学博士生薛乔与雅各布·比恩教授团队开展的一项研究展示了一种确定遥远系外行星是否具有大气层的新方法，并表明它比以前的方法更简单、更有效。

这项新技术应用于更多行星后，有可能帮助我们更多地了解大气形成的模式。该论文发表在《天体物理学杂志快报》上。

薛其坤表示：“当我们查看足够大的数据集时，就像我们今年使用詹姆斯韦伯太空望远镜所做的那样，我们希望找到一些趋势来帮助我们更多地了解大气的形成以及是什么让行星变得适宜居住。”

寻找氛围

当科学家试图了解其他遥远星球的状况时，他们想知道这些星球是否有大气层——一层气体层，可以隔离星球并调节星球的温度。例如，在地球上，我们的大气层将太阳的热量重新分配到星球周围，使星球成为适宜生命生存的温和地方。

然而，科学家无法直接拍摄靠近恒星的岩质类地行星的图像。相反，他们必须将不同的线索拼凑在一起，比如行星围绕其主恒星旋转时光线的波动。

上图是NASA制作的动画，展示了当这颗系外行星绕恒星运行时，系统发出的光量发生波动。图片来源：芝加哥大学

在这项研究中，科学家们使用了2019年由Bean和MeganMansfield(21年博士，现就职于亚利桑那大学)合作提出的一种方法来寻找大气层。该方法利用了系外行星最热时测量的温度与理论温度计算值之间的温差。

由于大气层将热量分散到行星的整个表面，因此它们会降低行星最热一侧(直接面向恒星)的温度。科学家推测，如果系外行星的实际温度没有理论上那么高，那么我们可以推测它有大气层在发挥这种作用。

但问题是，我们缺乏足够精确的仪器来提供足够准确的温度读数。詹姆斯·韦伯太空望远镜改变了这一现状——它提高了红外观测能力，科学家可以通过测量行星发射的能量强度来记录行星的温度。

当系外行星从其恒星前方经过时，它们会遮挡部分恒星的光线，导致恒星的测量亮度略有下降。当行星相对于我们的观测设备几乎出现在恒星的后面时，我们可以捕捉到系统的最大亮度——即未被遮挡的恒星与行星发出的相对最小的光线相结合。

当行星从我们视线中穿过恒星后方时，我们可以记录恒星本身发出的光。通过从恒星光与行星光的结合测量值中减去这一测量值，可以推导出行星本身的亮度(从而推导出温度)。

薛其坤由此得出结论，她应用新方法的第一颗行星GJ1132b没有大气层——行星的测量温度与计算的最高温度太接近，因此无法暗示行星上存在任何温度调节成分。“因此，它不适合生命存在，”她说。

新方法并不是确定系外行星是否有大气层的唯一方法，但它是一种更简单、更可靠的寻找有大气层的遥远行星的方法。薛解释说，与其他技术相比，这种方法不易出现假阴性和阳性结果。

“另一种技术是测量穿过行星大气层的光线，它更具挑战性，因为它可能会受到恒星活动和云层存在的干扰，”比恩说。

如果科学家能够了解行星大气层的形成原因，那么在寻找适宜生命生存的系外行星时，将更容易排除不适合居住的行星。

“这项研究很令人兴奋，因为我终于有机会研究岩石行星了，这是每一位系外行星科学家梦寐以求的研究对象，因为它们极有可能存在生命，”薛其坤说道。“现在我很期待接下来会发生什么。”