題圖：藝術(shù)家展示的 TRAPPIST-1 行星系統(tǒng)概念圖?；谟嘘P(guān)行星直徑、質(zhì)量和與主星距離的可用數(shù)據(jù)。韋布天文望遠鏡預(yù)計將于2022年夏天開始科學觀測。（NASA/JPL）
經(jīng)過長達數(shù)十年的開發(fā)、改進、測試、發(fā)射、展開以及最近的光學對準和儀器校準后，人類歷史上最強大的太空望遠鏡即將取得成果。雖然NASA已經(jīng)發(fā)布了許多詹姆斯韋布太空望遠鏡光學系統(tǒng)收集的“第一道光”，實際上，讓所有的鏡子都啟動運行并使之具有實際科學觀測意義，距離韋布發(fā)回第一張“驚掉下巴的相片”，可能還需要幾個月的時間。
韋布的建造已經(jīng)進行了多年，天文學家們的觀測規(guī)劃和準備工作也是如此。其中，許多工作都與宇宙的早期歷史、恒星、星系的形成以及其他宇宙學領(lǐng)域有關(guān)，但一個前所未有的地外行星“觀測子集”也在籌備中。
我們已經(jīng)討論了韋布團隊早期發(fā)布的科學計劃，該計劃涉及對巨大的熱木星行星的觀測，以了解它們的大氣層，并作為一種收集經(jīng)驗數(shù)據(jù)的方式，以指導行星科學家們在未來更好地使用韋布儀器。
現(xiàn)在，我們將研究一些更為具體的韋布觀測計劃和任務(wù)，并將收集有關(guān)銀河系中至少 1000 億顆地外行星所代表集合的一些主要特征和奧秘。
這將通過使用包括透射光譜在內(nèi)的多種技術(shù)來完成——當行星從其母星前經(jīng)過時，收集和分析透過地外行星大氣層的母星光譜。韋布將以前所未有的性能來表征已知的多種地外行星的大氣多樣性，比如：相較于我們的太陽，溫度更低和更暗淡的紅矮星（迄今為止銀河系中最常見的恒星）能否維持其行星的大氣？對地外行星大氣化學成分的高靈敏度的分析研究；以及關(guān)于TRAPPIST-1 地外行星系的許多可能性，這是一個距離太陽系較近的，包含七顆類地巖石行星的系統(tǒng)。
藝術(shù)家對 GJ 1214b 的詮釋，這是韋布“第一輪觀測”中即將研究的行星之一。已知這顆行星被濃厚的大氣層覆蓋，科學家們預(yù)計韋布將以前所未有的能力觀測其大氣的化學物質(zhì)。（NASA）
我們太陽系的一個謎團是它沒有任何“超級地球”（半徑為地球的 1.5 倍的行星）或任何“迷你海王星”（半徑為地球的 1.8 倍，但比海王星半徑小的行星）。開普勒太空望遠鏡發(fā)現(xiàn)，這些大小的行星，是迄今為止銀河系中最常觀察到的行星。因此，行星科學家渴望更多地了解它們的大氣層、它們的組成以及推斷它們的演變模式，以此來了解更多關(guān)于它們?nèi)绾涡纬?，以及為什么它們沒有在我們的太陽系中形成的信息。
一個由 NASA 艾姆斯研究中心的 Natasha Batalha 領(lǐng)導的小組被分配到了令人妒忌的141個觀測小時（韋布的使用是按科學家申請的小時數(shù)來計算的——小編注）來研究這些大小和質(zhì)量范圍內(nèi)的11 顆行星（一些是巖石行星，一些是氣態(tài)行星）。
華盛頓卡內(nèi)基科學研究所的科學家，項目聯(lián)合研究員 Johanna Teske表示，他們的主要研究目標，包括確定這個大小范圍內(nèi)的行星是否與其有大氣層有直接關(guān)系，以及這些行星可能擁有什么樣的大氣成分。
Johanna Teske 是卡內(nèi)基科學研究所的科學家。（卡內(nèi)基研究所）
當最初形成時，像這樣的行星通常在它們周圍有一層氫和氦的“包層”，也叫做“原初大氣層”。隨后，這些行星可以擁有一個“次代大氣”，其中包括從行星內(nèi)部循環(huán)到外層大氣的分子——如：二氧化碳、甲烷、水蒸氣等等。
這些行星周圍可能有厚厚的云層和霧，這使得目前的望遠鏡幾乎不可能探測到這些易揮發(fā)的次代大氣元素。但韋布是一臺紅外望遠鏡，它使用的波長可以穿透行星的外層云霧。再加上前所未有的精度，它能夠以高超的方式識別次代大氣的成分。
在這次從"超級地球"到"迷你海王星"的行星普查中，還有一個令人費解的下降趨勢，1.7倍地球半徑范圍內(nèi)的行星，比那些稍大或稍小的行星少得多?！耙苍S，這種統(tǒng)計下降會讓我們深入了解這種大小范圍內(nèi)的行星是如何形成的?！?/span>Teske說，“或者說，為何沒有形成——如果考慮這種異常統(tǒng)計趨勢的話?！?/span>
上圖是基于行星半徑的每顆恒星擁有的平均行星數(shù)量的統(tǒng)計。正如開普勒望遠鏡所觀察到的，尺寸相當于地球半徑 1.6 到 1.8 倍之間的行星平均數(shù)量急劇下降，但原因尚不清楚。這是行星科學家非常感興趣的問題之一。（Benjamin Fulton 和 Erik Petagura，天文雜志）
Teske 還提醒道，長期以來，認為我們的太陽系沒有“超級地球”到“迷你海王星”大小的行星的觀點，可能有一天需要打一個星號。因為許多天文學家已經(jīng)在我們太陽系的邊緣，發(fā)現(xiàn)一顆新行星的初步跡象，這顆行星的大小可能遠遠超出冥王星。有時被稱為行星9或行星X，它是近年來大量科學辯論的主題，并且有朝一日，就行星構(gòu)成而言，它可能會使我們的太陽系成為一個更傳統(tǒng)的太陽系。
行星科學中更緊迫的問題之一，是圍繞紅矮星（或M矮星）運行的行星是否擁有大氣層。這個問題是如此重要，因為我們銀河系中大約 75% 的恒星，以及離我們最近的 60 顆恒星中的 50 顆，都是這種類型的恒星。與我們自己的太陽相比，紅矮星相對較小且“涼爽”，經(jīng)常被比水星軌道更近的行星環(huán)繞。
“第一輪觀測”項目將使用韋布集中觀測 9 顆圍繞紅矮星運行的行星，以確定它們是否有大氣層。在約翰霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室 (APL) 的首席研究員 Kevin Stevenson 和 APL 的聯(lián)合研究員 Jacob Lustig-Yaeger 的帶領(lǐng)下，該團隊將在尋找可居住行星的過程中解決這個基本問題。
圍繞紅矮星運行的行星的宜居性問題，主要基于這樣一個事實，即該類行星離其母星如此之近，它們很可能會被潮汐鎖定（一側(cè)總是面對它的母星，就像我們的月球被地球潮汐鎖定一樣），而且紅矮星在它們相對較早期的演化中，往往會爆發(fā)大型的太陽耀斑。這些耀斑是否能夠并且永久地對其較近的軌道行星進行“消殺”，一直是天體物理學界激烈爭論的話題。
但現(xiàn)在，Stevenson 說，韋布將能夠確定是否紅矮星行星上存在大氣層，如果有，這些大氣層將有多普遍。如果發(fā)現(xiàn)大氣，下一步將盡可能詳細地說明存在哪些化學物質(zhì)。Stevenson說：“如果我們研究的所有或許多圍繞紅矮星運行的行星都有大氣層，那將告訴我們應(yīng)該研究它們是否具備生命宜居的條件?！?“但如果它們沒有大氣層，那么我們就必須重新考慮可支持生命行星的尋找策略?！?/span>
該研究還將研究行星軌道遷移的作用——從更遠的，遠離耀斑的軌道，到后來更靠近的軌道——是否會影響紅矮星的行星形成大氣層，以及“不可避免地，對紅矮星行星的這些研究，將為生命起源問題帶來哪些新的研究火花。”
TRAPPIST-1行星系，幾乎被普遍認為是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最引人注目的地外行星系之一。它有七顆靠近其主星運行的巖石行星，密度都非常相似，其中三顆似乎位于系統(tǒng)的宜居帶內(nèi)——水可以液態(tài)存在的軌道距離。
圍繞它們的主星運行的TRAPPIST-1 地外行星的三個可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，距離我們相對較近，僅41光年。所有七顆行星的密度都非常相似，因此它們可能具有相似的成分。（NASA/JPL）
TRAPPIST-1e 是其中最宜居的行星之一，將成為韋布“第一輪觀測”運行的焦點。TRAPPIST-1e 擁有類似于地球的質(zhì)量、半徑、密度、重力、溫度以及它接收的每個相對單位的陽光量。還已經(jīng)證實，這顆行星沒有以氫為主的大氣層，這意味著它更有可能更像我們太陽系中的類地行星一樣，擁有緊湊的大氣層。（氫是一種強烈的溫室氣體，以氫為主導的大氣成分，會使行星表面無法宜居）
康奈爾大學卡爾薩根研究所的博士后 Ryan MacDonald 將成為分析 TRAPPIST-1e 觀測數(shù)據(jù)團隊的一員，該團隊由康奈爾大學天體物理學家 Nikole Lewis 領(lǐng)導。
Ryan Macdonald康奈爾大學的博士后研究員，也是 Nikole Lewis 領(lǐng)導的韋布觀測小組的成員。（康奈爾)
“地外行星大氣中的二氧化碳非常容易被檢測到，我們認為我們會看到它，”他說?！叭绻覀冏龅搅?，那么我們將繼續(xù)研究大氣水蒸氣，然后是甲烷。這些組分可以是地質(zhì)或生物的，但如果我們找到它，我們就會尋找與生命相關(guān)的氣體?！?/span>Macdonald說，雖然很可能在“第一輪觀測”期間發(fā)現(xiàn)二氧化碳，但其他分子在未來幾年將需要更多的觀測時間。
要找到的最重要的氣體可能是氧氣，但它需要在韋布可用的光譜波長中觀察到不太可能的 1,000 次凌日。如果一個團隊有足夠的觀測時間，它可以尋找臭氧作為替代物——一種異化的氧元素分子，需要大約 100 到 200 次凌日數(shù)據(jù)，這更可行，但也可能需要觀測超過數(shù)年。
在 TRAPPIST-1e 大氣中發(fā)現(xiàn)甲烷和臭氧，將是潛在的生命信號，但同時進行這兩項檢測將牽扯到更多復(fù)雜的工作。
當然，TRAPPIST-1e 也可能是一塊沒有任何大氣的光禿禿的巖石球。在六天的公轉(zhuǎn)周期內(nèi)繞著它的母恒星運行，可能在其演化歷史的早期，已被來自母星的耀斑“消殺”過了。
到目前為止，使用眾多望遠鏡進行的觀測，還沒有發(fā)現(xiàn)行星周圍的大氣或化學物質(zhì)，這可能是由于行星周圍有厚厚的云層造成的，或者它確實是一塊裸露的巖石。盡管如此，許多 TRAPPIST-1 的觀測結(jié)果令人興奮不已。
“我們知道已知的未知，但肯定會有我們未知的未知，”Macdonald說?！岸乙驗?TRAPPIST-1e 具有諸多與宜居行星一致的特征，它有很多東西要告訴我們?！?/span>
HD 189733b 是熱木星行星的典型。它于 2005 年被發(fā)現(xiàn)，非常大（半徑比我們的木星還大 13%），非常明亮，有很高的信噪比——即所需觀測的信號相對于背景噪聲的強度，因此它的化學成分可能很容易被獲得，馬里蘭大學教授Drake Deming提議用韋布對這顆行星進行“深入的分子研究”。
Drake Deming 是馬里蘭大學的研究教授，也是美國宇航局地外行星凌日調(diào)查衛(wèi)星 (TESS/馬里蘭大學）的聯(lián)合研究員。
這項工作的目標是檢測和量化在沒有韋布強大的紅外觀測能力的情況下，不容易找到的化學物質(zhì)——行星大氣的氰化氫、一氧化碳、甲烷和二氧化硅，以及由不尋常過程產(chǎn)生的其他分子。
“我們想做的是觀察最有利于收集數(shù)據(jù)的行星，并把它做得非常好，”Deming說。 “我們將尋找低豐度化學物質(zhì)的最微弱信號，并希望通過這種方式向天文界展示望遠鏡可以做什么以及如何做?！?/span>
“天文學界想要了解宜居帶巖石行星的化學和大氣，他們想要尋找生物特征。但就像奧運會短跑運動員必須先學會走路才能跑步一樣，像熱木星這樣一個巨大的星球，更容易理解和發(fā)現(xiàn)這種化學物質(zhì)。”
“如果我們無法了解信噪比最高的巨行星的構(gòu)成——擁有大量氣體分子并且可以高靈敏度探測到——那么我們最終就沒有真正的希望了解更冷、更小的行星。所以這是朝著這個方向邁出的第一步。”
Marc Kaufman（本文作者）
Marc Kaufman是兩本關(guān)于太空的書的作者：《火星近距離：好奇號任務(wù)詳解》和《第一次接觸：尋找地外生命的科學突破》。他還是一位經(jīng)驗豐富的記者，曾在《華盛頓郵報》和《費城問詢報》工作了 3 年。他于 2015 年 10 月開始撰寫該專欄，當時 NASA 的 NExSS 計劃還處于起步階段。雖然《多世界》專欄得到美國宇航局天體生物學計劃的支持和通知，但所表達的任何意見僅代表作者本人。
原文鏈接
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