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題圖：藝術(shù)家展示的 TRAPPIST-1 行星系統(tǒng)概念圖。基于有關(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(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)將于2022年夏天開(kāi)始科學(xué)觀測(cè)。（NASA/JPL）

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的開(kāi)發(fā)、改進(jìn)、測(cè)試、發(fā)射、展開(kāi)以及最近的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和儀器校準(zhǔn)后，人類(lèi)歷史上最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)收集的“第一道光”，實(shí)際上，讓所有的鏡子都啟動(dòng)運(yùn)行并使之具有實(shí)際科學(xué)觀測(cè)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(gè)月的時(shí)間。

韋布的建造已經(jīng)進(jìn)行了多年，天文學(xué)家們的觀測(cè)規(guī)劃和準(zhǔn)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(xué)領(lǐng)域有關(guān)，但一個(gè)前所未有的地外行星“觀測(cè)子集”也在籌備中。

我們已經(jīng)討論了韋布團(tuán)隊(duì)早期發(fā)布的科學(xué)計(jì)劃，該計(jì)劃涉及對(duì)巨大的熱木星行星的觀測(cè)，以了解它們的大氣層，并作為一種收集經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方式，以指導(dǎo)行星科學(xué)家們?cè)谖磥?lái)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(cè)計(jì)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(guò)使用包括透射光譜在內(nèi)的多種技術(shù)來(lái)完成——當(dāng)行星從其母星前經(jīng)過(guò)時(shí)，收集和分析透過(guò)地外行星大氣層的母星光譜。韋布將以前所未有的性能來(lái)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(yáng)，溫度更低和更暗淡的紅矮星（迄今為止銀河系中最常見(jiàn)的恒星）能否維持其行星的大氣？對(duì)地外行星大氣化學(xué)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(gè)距離太陽(yáng)系較近的，包含七顆類(lèi)地巖石行星的系統(tǒng)。

藝術(shù)家對(duì) GJ 1214b 的詮釋?zhuān)@是韋布“第一輪觀測(cè)”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(xué)家們預(yù)計(jì)韋布將以前所未有的能力觀測(cè)其大氣的化學(xué)物質(zhì)。（NASA）

我們太陽(yáng)系的一個(gè)謎團(tuán)是它沒(méi)有任何“超級(jí)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(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)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(xué)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(lái)了解更多關(guān)于它們?nèi)绾涡纬?，以及為什么它們沒(méi)有在我們的太陽(yáng)系中形成的信息。

一個(gè)由 NASA 艾姆斯研究中心的 Natasha Batalha 領(lǐng)導(dǎo)的小組被分配到了令人妒忌的141個(gè)觀測(cè)小時(shí)（韋布的使用是按科學(xué)家申請(qǐng)的小時(shí)數(shù)來(lái)計(jì)算的——小編注）來(lái)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(xué)研究所的科學(xué)家，項(xiàng)目聯(lián)合研究員 Johanna Teske表示，他們的主要研究目標(biāo)，包括確定這個(gè)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(xué)研究所的科學(xué)家。（卡內(nèi)基研究所）

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(jì)。正如開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡所觀察到的，尺寸相當(dāng)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(xué)家非常感興趣的問(wèn)題之一。（Benjamin Fulton 和 Erik Petagura，天文雜志）

Teske 還提醒道，長(zhǎng)期以來(lái)，認(rèn)為我們的太陽(yáng)系沒(méi)有“超級(jí)地球”到“迷你海王星”大小的行星的觀點(diǎn)，可能有一天需要打一個(gè)星號(hào)。因?yàn)樵S多天文學(xué)家已經(jīng)在我們太陽(yáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出冥王星。有時(shí)被稱(chēng)為行星9或行星X，它是近年來(lái)大量科學(xué)辯論的主題，并且有朝一日，就行星構(gòu)成而言，它可能會(huì)使我們的太陽(yáng)系成為一個(gè)更傳統(tǒng)的太陽(yáng)系。

行星科學(xué)中更緊迫的問(wèn)題之一，是圍繞紅矮星（或M矮星）運(yùn)行的行星是否擁有大氣層。這個(gè)問(wèn)題是如此重要，因?yàn)槲覀冦y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(lèi)型的恒星。與我們自己的太陽(yáng)相比，紅矮星相對(duì)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(cè)”項(xiàng)目將使用韋布集中觀測(cè) 9 顆圍繞紅矮星運(yùn)行的行星，以確定它們是否有大氣層。在約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)將在尋找可居住行星的過(guò)程中解決這個(gè)基本問(wèn)題。

圍繞紅矮星運(yùn)行的行星的宜居性問(wèn)題，主要基于這樣一個(gè)事實(shí)，即該類(lèi)行星離其母星如此之近，它們很可能會(huì)被潮汐鎖定（一側(cè)總是面對(duì)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(duì)較早期的演化中，往往會(huì)爆發(fā)大型的太陽(yáng)耀斑。這些耀斑是否能夠并且永久地對(duì)其較近的軌道行星進(jìn)行“消殺”，一直是天體物理學(xué)界激烈爭(zhēng)論的話題。

但現(xiàn)在，Stevenson 說(shuō)，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(xì)地說(shuō)明存在哪些化學(xué)物質(zhì)。Stevenson說(shuō)：“如果我們研究的所有或許多圍繞紅矮星運(yùn)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(méi)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(yuǎn)的，遠(yuǎn)離耀斑的軌道，到后來(lái)更靠近的軌道——是否會(huì)影響紅矮星的行星形成大氣層，以及“不可避免地，對(duì)紅矮星行星的這些研究，將為生命起源問(wèn)題帶來(lái)哪些新的研究火花?！?/span>

TRAPPIST-1行星系，幾乎被普遍認(rèn)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(yùn)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(yùn)行的TRAPPIST-1 地外行星的三個(gè)可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，距離我們相對(duì)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(cè)”運(yùn)行的焦點(diǎn)。TRAPPIST-1e 擁有類(lèi)似于地球的質(zhì)量、半徑、密度、重力、溫度以及它接收的每個(gè)相對(duì)單位的陽(yáng)光量。還已經(jīng)證實(shí)，這顆行星沒(méi)有以氫為主的大氣層，這意味著它更有可能更像我們太陽(yáng)系中的類(lèi)地行星一樣，擁有緊湊的大氣層。（氫是一種強(qiáng)烈的溫室氣體，以氫為主導(dǎo)的大氣成分，會(huì)使行星表面無(wú)法宜居）

康奈爾大學(xué)卡爾薩根研究所的博士后 Ryan MacDonald 將成為分析 TRAPPIST-1e 觀測(cè)數(shù)據(jù)團(tuán)隊(duì)的一員，該團(tuán)隊(duì)由康奈爾大學(xué)天體物理學(xué)家 Nikole Lewis 領(lǐng)導(dǎo)。

Ryan Macdonald康奈爾大學(xué)的博士后研究員，也是 Nikole Lewis 領(lǐng)導(dǎo)的韋布觀測(cè)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(cè)到，我們認(rèn)為我們會(huì)看到它，”他說(shuō)。“如果我們做到了，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(huì)尋找與生命相關(guān)的氣體。”Macdonald說(shuō)，雖然很可能在“第一輪觀測(cè)”期間發(fā)現(xiàn)二氧化碳，但其他分子在未來(lái)幾年將需要更多的觀測(cè)時(shí)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(zhǎng)中觀察到不太可能的 1,000 次凌日。如果一個(gè)團(tuán)隊(duì)有足夠的觀測(cè)時(shí)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(cè)超過(guò)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(hào)，但同時(shí)進(jìn)行這兩項(xiàng)檢測(cè)將牽扯到更多復(fù)雜的工作。

當(dāng)然，TRAPPIST-1e 也可能是一塊沒(méi)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(yùn)行，可能在其演化歷史的早期，已被來(lái)自母星的耀斑“消殺”過(guò)了。

到目前為止，使用眾多望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的觀測(cè)，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)行星周?chē)拇髿饣蚧瘜W(xué)物質(zhì)，這可能是由于行星周?chē)泻窈竦脑茖釉斐傻?，或者它確實(shí)是一塊裸露的巖石。盡管如此，許多 TRAPPIST-1 的觀測(cè)結(jié)果令人興奮不已。

“我們知道已知的未知，但肯定會(huì)有我們未知的未知，”Macdonald說(shuō)?！岸乙?yàn)?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。”

藝術(shù)家對(duì) HD 189733 b 的渲染圖，這是一顆被充分研究的熱木星行星。韋布將被用于深入研究其大氣化學(xué)成分，以更加了解這顆行星，并了解巨型望遠(yuǎn)鏡能做和不能做什么。（美國(guó)國(guó)家航空航天局）

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(cè)的信號(hào)相對(duì)于背景噪聲的強(qiáng)度，因此它的化學(xué)成分可能很容易被獲得，馬里蘭大學(xué)教授Drake Deming提議用韋布對(duì)這顆行星進(jìn)行“深入的分子研究”。

Drake Deming 是馬里蘭大學(xué)的研究教授，也是美國(guó)宇航局地外行星凌日調(diào)查衛(wèi)星 (TESS/馬里蘭大學(xué)）的聯(lián)合研究員。