詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）对TRAPPIST-1的最新观测结果突显了仅利用宽带热辐射数据确认行星大气层所面临的挑战。 这一发现尤其具有现实意义，因为太空望远镜科学研究所（STScI）最近批准了"岩石世界"观测计划，该计划将使用这种方法来研究几颗围绕冷恒星运行的岩石系外行星。
通过对小型岩石世界进行详细的光谱分析，JWST 正在改变系外行星（太阳系外的行星）的研究。 不过，这种能力最适用于围绕附近"红矮星"（体积最小、温度最低、质量最小的恒星）运行的行星。 JWST 的首要目标是TRAPPIST-1，这是一颗低质量红矮星，拥有七颗地球大小的岩石行星，其中三颗位于恒星的宜居带。 这个非凡的系统是由ULiège天文学家Michaël Gillon领导的一个国际团队于2017年发现的。
最近，JWST 在中红外线（一种我们的眼睛不敏感的光线）下对最内层的行星 TRAPPIST-1 b 进行了深入观测。 一个国际研究小组今天（12月16日）刚刚在《自然-天文学》上发表了对TRAPPIST-1 b收集到的所有中红外数据的完整分析，目的是确定这颗行星是否有大气层。
"环绕红矮星运行的行星是我们首次研究温带岩石行星大气层的最佳机会，这些行星接收的恒星通量介于水星和火星之间，"这项研究的共同第一作者、法国巴黎原子能委员会（CEA）助理天文学家Elsa Ducrot解释说。"TRAPPIST-1行星为这项突破性研究提供了一个理想的实验室。"
之前利用 JWST 进行的观测测量了 TRAPPIST-1 b 在 15 微米处的红外辐射，结果表明不太可能存在富含 CO2 的厚大气层（Greene 等人，2023）。 这一结论的依据是，CO2 强烈吸收这一波长的辐射，如果存在这样的大气，观测到的通量就会大大减少。 该研究认为，测量结果最符合"黑暗裸岩"假设--一颗没有大气层的行星，其黑暗的表面几乎吸收了所有射入的星光。 然而，单一波长的测量结果不足以排除所有可能存在大气层的情况。
在这项新的研究中，作者通过测量这颗行星在另一个波长（12.8 微米）的通量，进一步拓展了这项工作。 他们对所有可用的 JWST 数据进行了全面分析，并将这些观测数据与表面和大气模型进行了比较，以确定与数据最匹配的方案。
确定一颗系外行星是否有大气层最常用的方法是凌日透射光谱法，包括观测它的"凌日"，即当它以不同的波长从其宿主恒星前方经过时，探测并测量恒星向我们这个方向发射的光中被其大气层吸收的极小部分，这是它的化学成分指标。
"然而，质量极低的红矮星在这方面存在问题，"该研究的作者 Michaël Gillon 教授（ULiège）解释说。"它们的表面并不均匀，这种不均匀性会污染凌日行星的透射光谱，并模仿大气特征。 JWST 在观测红矮星周围的凌日行星时曾多次观测到这种现象。"
要克服这种恒星污染，同时还能获得大气存在（或不存在）的信息，一种解决办法是直接测量行星的热量，方法是观测行星从恒星背后经过时通量的下降（这种现象称为掩星）。 通过在掩星之前和掩星期间观测恒星，我们可以推断出行星发出的红外光量。
这项研究的共同第一作者、法国巴黎原子能委员会（CEA）天体物理学部主任皮埃尔-拉加奇（Pierre Lagage）解释说："在JWST的头两年，发射很快成为研究红矮星周围岩质系外行星的首选方法。对于TRAPPIST-1行星，第一手信息来自发射测量，因为在凌日过程中仍然很难将大气信号和恒星信号区分开来。"
为了反映这种日益增长的兴趣，管理 JWST 运行的太空望远镜科学研究所（STScI）最近批准了一项名为"岩石世界"的 500 小时主任自由支配时间（DDT）计划，采用与作者完全相同的方法，通过掩星观测来研究附近 M 矮星周围的系外行星大气层，但只在 15 微米处进行观测。
研究结果与 Greene 等人提出的"黑暗、裸露表面"设想并不十分一致。 作者发现，由超基性岩（富含矿物质的火山岩）组成的不太灰暗的裸露表面能更好地解释数据。
另外，他们还证明了含有大量 CO2 和灰霾的大气层也能解释观测结果。 这是一个令人惊讶的结果，因为富含 CO2 的大气层似乎与 15 微米处的强辐射不相容。 然而，雾霾可以从根本上改变这种情况：它可以有效地吸收星光，使大气上层的温度高于下层，形成所谓的"热反转"，就像地球上的平流层一样。 这种反转会使二氧化碳₂ 发出光而不是吸收光，从而使 15 微米处的光通量高于 12.8 微米处的光通量。
"这种热反转在太阳系天体的大气层中非常常见，最相似的例子可能是土星的卫星土卫六的朦胧大气层。 然而，TRAPPIST-1b 大气层中的化学成分预计与土卫六或太阳系中的任何岩石天体都非常不同。"
作者指出，这种大气模型虽然与数据一致，但其可能性仍然低于裸岩方案。 它的复杂性以及与雾霾形成和 TRAPPIST-1 b 上长期气候稳定性有关的问题使其成为一个难以实施的模型。 未来的研究，包括先进的三维建模，将需要探索这些问题。 更广泛地说，研究小组强调仅凭几个波长的发射测量结果很难确定行星的表面或大气成分，同时强调了两种令人信服的情况，将在下一次对TRAPPIST-1 b的观测中进行更详细的探索。
"尽管这两种情况都是可行的，但我们最近对TRAPPIST-1 b的相位曲线进行的观测将有助于解开这个谜团，"与Elsa Ducrot博士共同领导JWST新项目的Michaël Gillon教授说。"通过分析热量在行星上重新分配的效率，天文学家可以推断出大气层的存在。 如果存在大气层，热量就应该从行星的白天分配到夜晚；如果没有大气层，热量的重新分配就会微乎其微。"
因此，我们很快就能知道 TRAPPIST-1 内行星周围是否存在大气层。
编译自/ScitechDaily
