詹姆斯·韋伯太空望遠鏡
作為地球人我們知道大氣是我們賴以生存的物質，沒有大氣我們就不能存活。對於外太空的星球來說，有的行星有大氣而有的則沒有。由於地球的引力適中，使得大氣能夠積聚在地球上空而不逃逸到外太空，那麼其它星球可以維持大氣層的存在麼？有什麼辦法可以探測到數光年之外的星體大氣呢？
這不，天文學家提出了一種在巖石星球上尋找大氣的新方法。
NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在將在2021年發射，它對天文學最令人期待的貢獻之一將是研究系外行星——繞遙遠恆星運行的行星。系外行星科學中最緊迫的問題之一是：一顆靠近紅矮星的小型巖石系外行星能否維持大氣層？
下面這張圖照片展示了一顆多巖石的系外行星，圍繞著一顆紅矮星旋轉的是稀薄的雲霧狀的大氣層。天文學家發現了一種新方法，可以讓韋伯太空望遠鏡在短短幾個小時的觀察時間內探測到系外行星的大氣層。
天體物理學雜誌》發表了四篇系列論文，一組天文學家提出了一種新方法，利用韋伯來確定一顆巖質系外行星是否有大氣層。這項技術包括測量行星從其恆星背後經過時的溫度，然後再返回視野，其速度明顯快於傳輸光譜等更傳統的大氣探測方法。
「我們發現韋伯可以很容易地推斷出在十幾個已知的巖石系外行星周圍存在或不存在大氣層，而每個行星的觀測時間不到10小時，」芝加哥大學的雅各布·比恩說，他是其中三篇論文的合著者。
天文學家對圍繞紅矮星運轉的系外行星特別感興趣，原因有很多。這些比太陽更小、更冷的恆星是我們銀河系中最常見的恆星類型。此外，由於紅矮星很小，如果一顆行星從它前面經過，它會擋住比太陽等恆星大的恆星更多的光。這使得圍繞紅矮星旋轉的行星更容易通過這種「凌日」技術被探測到。
選擇紅矮星的理由
紅矮星產生的熱量也比我們的太陽少得多，所以要享受適宜居住的溫度，行星需要在離紅矮星很近的軌道上運行。事實上，要想處於宜居帶，行星表面要存在液態水，並且處在恆星周圍區域，這種行星必須比水星離太陽更近。因此，它將更頻繁地凌日恆星，使重複觀測變得更容易。
但是，在如此靠近紅矮星的軌道上運行的行星會受到惡劣的條件影響。年輕的紅矮星非常活躍，經常爆發出巨大的耀斑和等離子體。恆星也會釋放出一股帶電粒子的強風。所有這些因素都有可能衝刷掉行星的大氣層，留下光禿禿的巖石。
「大氣損耗是對行星宜居性的頭號生存威脅，」比恩說。
圍繞紅矮星運行的系外行星的另一個關鍵特徵是新技術的核心：它們可能會被潮汐鎖定，這意味著它們有一個永久的晝面和夜面。因此，我們可以看到地球在軌道上不同位置的不同階段。當它穿過恆星表面時，我們只能看到行星的背面。但是，當它即將從恆星後面穿過，或者剛剛從恆星後面出現時，我們可以觀察白天。
溫度越低越有可能存在大氣
如果一顆巖石系外行星缺少大氣，它的白天就會非常熱，就像我們看到的月球或水星一樣。然而，如果一顆巖石系外行星有大氣層，那麼大氣的存在將降低韋伯測量的天體溫度。它可以通過兩種方式做到這一點。厚厚的大氣層可以通過風把熱量從白天輸送到黑夜。更稀薄的大氣仍然可以形成雲團，這些雲團會反射一部分射入的星光，從而降低地球白天的溫度。
「無論什麼時候，只要你增加一層大氣，你就會降低白天的溫度。因此，如果我們看到比裸巖更冷的東西，我們就會推斷它可能是大氣的跡象，」兩篇論文的第一作者、麻省理工學院的丹尼爾·科爾解釋道。
韋伯太空望遠鏡是進行這些測量的理想望遠鏡，因為它比其他望遠鏡，如美國宇航局的哈勃或斯皮策太空望遠鏡，有更大的鏡子，這使它能夠收集更多的光，它可以瞄準適當的紅外波長。
研究小組的計算表明，韋伯應該能夠在一到兩次日食中探測到行星大氣的熱信號，只需要幾個小時的觀測時間。相比之下，通過光譜觀測來探測大氣通常需要8次或更多的凌日。
韋伯太空望遠鏡將比光譜探測技術更佔優勢
透射光譜學研究的是星光穿過地球大氣層時的情況，它也會受到雲層或霧霾的幹擾，因為雲層或霧霾會掩蓋大氣的分子特徵。在這種情況下，光譜圖不會顯示出明顯的吸收線，由於分子特徵被掩蓋，光譜圖將基本上是平坦的。
「在透射光譜中，如果你得到一條平坦的線，它不會告訴你任何東西。平線可能意味著宇宙充滿了沒有大氣層的行星，或者宇宙的行星有一系列的多樣化，有趣的大氣，但他們看起來都一樣。」馬裡蘭大學的伊麗莎·肯普頓說，他也是三個論文的合著者。
她補充說：「沒有雲和霧的系外行星大氣層就像獨角獸一樣。我們只是還沒有看到它們，它們可能根本不存在。」
研究小組強調，比預期更低的白天溫度將是一個重要的線索，但它不能完全證實存在大氣。任何關於大氣存在的疑問都可以通過後續研究排除，這些後續研究使用了其他方法，比如透射光譜法。
這項新技術的真正優勢在於確定有多少巖石系外行星可能有大氣層。在過去的一年裡，大約有12顆系外行星被探測到，它們是這種方法應用的良好候選者，更多的存在大氣層的行星可能在韋伯開始工作時被發現。
「凌日系外行星勘測衛星(TESS)正在尋找大量的此類行星，」肯普頓說。
第二次月食法有一個關鍵的限制：它最適用於那些太熱而不能位於宜居帶的行星。然而，確定這些熱行星是否擁有大氣層對可居住帶行星有著重要的意義。
科爾說：「如果熱行星能夠保持大氣層，那麼溫度較低的行星至少也能保持大氣層。」
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將於2021年發射，屆時它將成為世界上首屈一指的太空科學天文臺。韋伯將解開太陽系的奧秘，觀察其他恆星周圍遙遠的世界，探索宇宙的神秘結構和起源，以及我們在宇宙中的位置，韋伯也是一個由美國國家航空航天局及其合作夥伴歐洲航天局和加拿大航天局領導的國際項目。