20191202天文學家提出在岩石系外行星中尋找大氣層的新方法

2019/12/03 93 天文探索 , 系外行星 , 太空望遠鏡 ,

當美國國家航空暨太空總署(NASA)的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,後簡稱「韋伯」)於 2021 年發射升空時,它對天文學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岩石系外行星能否保持大氣層


▲ 這張藝術家印象圖是一顆岩石系外行星,周圍散佈著朦朧的雲氣,並環繞著一顆紅矮星。天文學家已經確定了一種新方法,該方法可使詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在短短幾個小時的觀察時間內就能探測到系外行星的大氣層。(圖片來源:L. Hustak and J. Olmsted (STScI))。

在《天文物理期刊(The Astrophysical Journal)》上的四篇論文中,一組天文學家提出了一種使用韋伯確定岩石系外行星是否具有大氣的新方法。該技術主要是在行星經過恆星之後再進入視野時測量其溫度,其速度比傳統的大氣探測方法(如透射光譜法)要快得多。

芝加哥大學同時也是三篇論文的合著者雅各布·比恩(Jacob Bean)說:「我們發現,韋伯可以輕易推斷出十幾個已知的岩石系外行星周圍是否存在大氣,每個行星的觀測時間不到10小時」。

由於許多原因,天文學家對繞紅矮星運行的系外行星特別感興趣。 這些紅矮星比太陽更小、更冷,是我們銀河系中最常見的恆星類型。同樣的,比起我們的太陽,由於一顆紅矮星很小,經過它前面的行星似乎會阻擋更大的一部分星光。這使得穿過紅矮星的行星更容易透過這種「過境(Transit)」技術被發現。

紅矮星產生的熱量也比我們的太陽少得多,因此要享受宜居的溫度,一顆行星需要更靠近繞著紅矮星運行。 實際上,要處於宜居區域(恆星周圍的液態水可存在於行星表面)中,行星的軌道必須比水星繞太陽的軌道更接近紅矮星。 也就是說行星將更頻繁地通過恆星,從而使重複觀測變得更加容易。

但是,如此靠近紅矮星運行的行星卻處於惡劣的條件下。 年輕的紅矮星非常活躍,爆發出巨大的耀斑和等離子爆發。恆星還散發出強烈的帶電粒子風。這些影響都可能吹走行星的大氣層,留下一顆裸露的岩石星球。

比恩(Bean)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徵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。這導致我們看到了行星在其軌道上不同點的不同相位。 當它穿過恆星的表面時,我們只能看到行星的夜色。當行星即將越過恆星(一個稱為次日蝕[Secondary eclipse])的事件或者說其剛剛從恆星後面出現時,我們可以觀察到白天。

如果岩石系外行星缺乏大氣,那麼它的白天會非常熱,就像我們在月球或水星上看到的那樣。但是,如果岩石系外行星有大氣層,那麼預期該大氣層的存在會降低韋伯測量出的日間溫度。它可以透過兩種方式做到這一點。濃厚的大氣層會透過風將熱量從白天傳到夜晚。稀薄的大氣層仍然可以容納雲層,這些雲層會反射一部分入射的光,從而降低行星白天的溫度。

兩篇論文的第一作者(Lead author)、麻省理工學院(MIT)的 Daniel Koll 解釋說:「無論何時擁有大氣,都將降低白天的溫度。 因此,如果我們看到的東西比裸露的岩石涼爽,我們就可以推斷它可能是大氣的跡象。」

韋伯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 的哈伯太空望遠鏡、史匹哲太空望遠鏡)大得多,這使得它可以收集更多的光,並且可以瞄準適當的紅外波長。

研究小組的計算表示韋伯應該能夠在一到兩個次日蝕(Secondary eclipse)中探測到行星大氣的熱訊號,而觀測時間只有幾個小時。相比之下,透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「過境(Transit)」。

透射光譜法研究穿過行星大氣層過濾的星光,同時因為雲或霧霾而受到干擾,這會掩蓋大氣層的分子特徵。在那種情況下,光譜圖將會是平坦的,而不會因為分子而顯示出明顯的光譜線。

三篇論文的合著者、馬里蘭大學的伊麗莎·肯普頓(Eliza Kempton)說:「在透射光譜法中,如果您獲得一條平線,它不會告訴您任何訊息。 扁平線可能意味著宇宙中充滿了沒有大氣層的死行星,或者說宇宙中充滿了具有各種各樣有趣大氣層的行星,但是它們對我們來說都一樣,因為它們是多雲的。」

她補充說:「沒有雲層和霧霾的系外行星大氣就像獨角獸一樣 - 我們還沒有看到它們,它們可能根本不存在。」

研究小組強調,將白天的溫度降到比預期的溫度低是一個重要的線索,但是這並不能完全確定大氣存在。可以透過使用其他方法(例如透射光譜法)進行後續研究來排除對大氣層存在的任何疑問。

這項新技術的真正優勢在於確定岩石系外行星中可能有大氣層的比例。在過去的一年中,大約有十二個系外行星是這種方法的理想候選者。當韋伯投入工作時,可能會發現更多訊息。

肯普頓(Kempton)說:「凌日系外行星巡天衛星(TESS)正在大量發現這些行星。」

次日蝕(Secondary eclipse)方法有一個關鍵的局限性:它在太熱且位於適居帶的行星上效果最佳。 但是,確定這些熾熱的行星是否具有大氣層對適居帶行星具有重要意義。

科爾(Koll)說:「如果熱行星能夠保持大氣層,則較冷的行星至少也應該能夠保持大氣層。」

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於 2021 年發射升空,將成為世界上最先進的太空科學天文台。韋伯將解決我們太陽系中的奧秘,將目光投向其他恆星周圍的遙遠世界,並探索我們的宇宙和起源。韋伯是由 NASA 及其合作夥伴 ESA(歐洲航天局)、加拿大太空局領導的國際專案。

✎ 參考資料 · References

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