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2021年，美國宇航局的下一代天文臺——詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)將進入太空。一旦開始運作，這一史詩級的任務將繼承其他太空望遠鏡——如哈勃、克卜勒和斯皮策的任務成為地球的另一隻「眼睛」。這意味著，除了研究一些最偉大的宇宙奧秘外，它還將尋找可能適合居住的系外行星，並試圖確定它們的大氣層特徵。
詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)
這是JWST區別於其前身的部分原因。憑藉其高靈敏度和紅外成像能力，它將能夠以前所未有的方式收集系外行星大氣的數據。然而，最近一項由美國宇航局支持的研究表明，擁有稠密大氣層的行星可能也有廣泛的雲層覆蓋，但是韋伯太空望遠鏡能夠克服這一挑戰。
多年來，天文學家們一直在使用凌日光度法(也就是中天光度法)。凌日法是通過監測遙遠恆星的亮度變化來探測系外行星。這種方法也被證明在確定某些行星的大氣成分方面是有用的。當這些天體從它們的恆星前面經過時，光就會穿過它們的大氣層，然後對大氣層的光譜進行分析，看看那裡有什麼化學元素。
到目前為止，這種方法在觀測大質量行星(氣態巨行星和「超級木星」)時是有用的，這些行星繞太陽運行的距離非常遠。然而，觀測更小的巖石行星(即「類地行星」)，它們的軌道離太陽更近，使得它們處於恆星的宜居帶之內，這超出了太空望遠鏡的能力。
宜居行星：生命的關鍵
由於這個原因，天文學界一直期待著像JWST這樣的下一代望遠鏡出現。通過檢測通過巖石行星大氣的光譜(一種被稱為透射光譜的方法)，科學家們將能夠尋找氧氣、二氧化碳、甲烷和其他與生命有關的信號(也就是生命的跡象)。
生命的另一個關鍵元素是水，所以行星大氣中水蒸氣的特徵是未來研究的主要目標。但在芝加哥大學地球物理科學系的博士後Thaddeus Komacek領導的一項新研究中，任何有大量地表水的行星也可能在其大氣中有大量的雲，這些雲其實是凝結的冰粒子。
為了這項研究，科馬塞克和他的同事們研究了這些雲是否會干擾探測類地系外行星大氣中的水蒸氣。由於近年來在m型(紅矮星)恆星的可居住帶(如Proximab)內發現了大量巖石系外行星，因此鄰近的紅矮星將是未來研究的重點。
圍繞紅矮星運行的潮汐鎖定行星非常適合研究透射光譜——原因有以下幾點:
與那些繞著類似太陽的恆星運行的行星相比，圍繞紅矮星運行的凌日行星是更有利的目標，因為行星的大小與恆星的大小之比更大。傳輸信號的大小等於行星大小與恆星大小之比的平方，所以比地球小的恆星接收到的信號會有顯著的增強。
考慮到這一點，Komacek和他的團隊結合使用了兩個模型來生成m型恆星周圍潮汐鎖定行星的合成透射光譜。第一個是由科羅拉多大學大氣和空間物理實驗室(LASP)的Eric Wolf博士開發的ExoCAM。LASP是一個用於模擬地球氣候的社區地球系統模型(CESM)，已經被應用於研究系外行星的大氣。
模擬研究的結果
利用ExoCAM模型，他們模擬了環繞紅矮星的巖石行星的氣候。其次，他們使用了由NASA戈達德太空飛行中心開發的行星光譜發生器來模擬JWST從模擬行星上探測到的發射光譜。正如Komacek所解釋的:
ExoCAM模擬計算了溫度、水蒸氣混合比、液體和冰水雲粒子的三維分布。我們發現環繞紅矮星的行星比地球的要渾濁得多。這是因為它們整個白天的氣候與地球的熱帶地區相似，所以水蒸氣很容易上升到低壓，在那裡它可以凝結並形成雲，覆蓋了地球的大部分白天。研究給出了行星在傳輸過程中表觀大小與波長的函數關係，以及不確定性的結果。通過觀察信號的大小如何隨波長變化，我們能夠確定水蒸氣特徵的大小，並將其與不確定度進行比較。
在這兩個模型之間，該團隊能夠模擬有和沒有雲層覆蓋的行星，以及JWST能夠探測到的結果。在前一種情況下，他們發現系外行星大氣中的水蒸氣幾乎可以被探測到。他們還發現，對於地球大小的系外行星來說，這只需要10次或更少的凌日。
Komacek說:「當我們考慮到雲層的影響時，JWST探測水蒸氣所需的凌日數量增加了10到100倍。對於一顆給定的行星，JWST可以觀測多少次凌日是有自然限制的，因為JWST的名義任務壽命是5年，只有當這顆行星經過我們和它的主恆星之間時，才能進行透射觀測。」
他們還發現，在紅矮星周圍旋轉速度較慢的行星上，雲層覆蓋的影響尤其強烈。基本上，那些公轉周期超過12天的行星在它們的日面會經歷更多的雲的形成。對於像TRAPPIST-1(已知的最有利的目標)這樣的行星，JWST將無法觀測到足夠多的凌日現象來探測水蒸氣。
其實這些結果與其他研究人員所注意到的相似。去年，美國國家航空航天局戈達德中心(NASA Goddard)的研究人員進行的一項研究表明，雲層覆蓋會使TRAPPIST-1行星的大氣中無法檢測到水蒸氣。本月早些時候，另一項由NASA資助的研究表明，雲層如何將水蒸氣的振幅降低到JWST將其作為背景噪聲消除的程度。
而這項研究確實提出了一些如何克服這些限制的建議。例如，如果任務時間是一個因素，JWST任務可以延長，這樣科學家就有更多的時間來收集數據。美國國家航空和宇宙航行局希望這架太空望遠鏡能使用10年，延長任務期限已經成為可能。同時，降低檢測的信噪比閾值可以使更多的信號從光譜中被挑選出來。此外，Komacek和他的同事們肯定會指出，這些結果只適用於系外行星雲層以下的特徵:
「因為水蒸氣大多被困在水雲之下，圍繞紅矮星旋轉的行星上的強雲層覆蓋使得探測水氣特徵變得非常具有挑戰性。重要的是，預計JWST仍將能夠限制關鍵大氣成分的存在，如二氧化碳和甲烷，只有十幾次過境。」
這些結果再次得到了先前研究的支持。去年,華盛頓大學的一項研究調查了TRAPPIST-1行星的檢測能力和特點,發現雲是不可能產生重大影響的檢測能力,氧氣和臭氧特性——兩個關鍵的生物特徵,與生命的存在。
因此，JWST可能只有在探測系外行星大氣中的水蒸氣時才會有困難，至少在涉及到濃密的雲層時是這樣。對於其他的生物特徵，JWST應該可以毫不費力地找出它們，不管它們是不是雲。韋伯是美國宇航局迄今為止最強大、最精密的太空望遠鏡。一切都將從明年開始!