一個國際科學家團隊利用位於智利的雙子座天文臺望遠鏡，首次直接測量了大約340光年外的另一個”太陽系”中的一顆行星的大氣中的水和一氧化碳的含量。 該小組由亞利桑那州立大學地球和太空探索學院的副教授Michael Line領導，其結果於10月27日發表在《自然》雜誌上。

在我們的太陽系之外有成千上萬的已知行星（稱為系外行星）。 科學家們利用太空望遠鏡和地面望遠鏡來研究這些系外行星是如何形成的，以及它們與我們太陽系的行星有什麼不同。

在這項研究中，Line和他的團隊專注於行星”WASP-77Ab”，這是一種被稱為”熱木星”的系外行星，因為它們就像我們太陽系的木星，但溫度高達2000華氏度以上。 然後，他們專注於測量其大氣層的組成，以確定與它所環繞的恆星相比，有哪些元素存在。

Line說：「由於它們的大小和溫度，熱木星是測量大氣氣體和測試我們的行星形成理論的優秀實驗室。 ”

雖然還不能向太陽系以外的行星發送航太器，但科學家可以用望遠鏡研究來自系外行星的光線。 他們用來觀察這種光線的望遠鏡可以在太空中，如哈勃太空望遠鏡，或者從地面上，如雙子座天文臺的望遠鏡。

Line和他的團隊曾廣泛參與使用哈勃測量系外行星的大氣成分，但獲得這些測量結果是具有挑戰性的。 哈勃的儀器只測量水（或氧氣），團隊還需要收集一氧化碳（或碳）的測量結果。 這就是該團隊轉向雙子座南站望遠鏡的地方。

“我們需要嘗試不同的東西來解決我們的問題，”Line說。 “而我們對雙子座南區的能力的分析表明，我們可以獲得超精確的大氣測量。”

雙子座南站望遠鏡是一個直徑為8.1米的望遠鏡，位於智利安第斯山脈的一座名為Cerro Pachón的山上，那裡的空氣非常乾燥，雲層幾乎可以忽略不計，因此是一個主要的望遠鏡位置。 它由美國國家科學基金會的NOIRLab（國家光學-紅外天文研究實驗室）運營。

利用雙子座南站望遠鏡和一個名為”浸入式GRating INfrared Spectrometer”（IGRINS）的儀器，研究小組觀察了該系外行星繞其主星運行時的熱輝光。 從這個儀器中，他們收集了關於其大氣中不同氣體的存在和相對數量的資訊。

就像天氣和氣候衛星被用來測量地球大氣中的水蒸氣和二氧化碳的數量一樣，科學家們可以使用光譜儀和望遠鏡，如雙子座南站望遠鏡的IGRINS，來測量其他行星上不同氣體的數量。

“試圖弄清行星大氣的組成就像試圖用指紋破案，”Line說。 “一個被弄髒的指紋並不能真正縮小它的範圍，但是一個非常漂亮、乾淨的指紋卻能提供一個獨特的識別器來識別誰在犯罪。”

哈勃太空望遠鏡為研究小組提供的可能是一兩個模糊的”指紋”，而雙子座南站望遠鏡的IGRINS為研究小組提供了一整套完全清晰的”指紋”。

隨著對WASP-77Ab大氣層中的水和一氧化碳的清晰測量，研究小組隨後能夠估計出這顆系外行星大氣層中氧和碳的相對數量。

Line說：「這些數量符合我們的預期，與宿主星的數量差不多。 “獲得系外行星大氣中超精確的氣體豐度不僅是一項重要的技術成就，特別是在地面望遠鏡的情況下，它還可能幫助科學家在其他行星上尋找生命。

Line表示：「這項工作代表了我們在不遠的將來如何最終測量潛在宜居世界的生物特徵氣體（如氧氣和甲烷）的一個探路者示範。 ”

Line和該團隊接下來要做的是對更多的行星重複這一分析，並在至少15個行星上建立起大氣測量的”樣本”。

“我們現在處於這樣一個階段，即我們可以獲得與我們自己太陽系中的那些行星相當的氣體豐度精度。” Line說：「測量更大樣本的系外行星大氣中的碳和氧（以及其他元素）的豐度，為理解我們自己的氣體巨頭如木星和土星的起源和演變提供了非常需要的背景。 ”

他們也期待著未來的望遠鏡能夠提供什麼。 Line說：”如果我們能用今天的技術做到這一點，想想我們將能用像巨型麥哲倫望遠鏡這樣的新興望遠鏡做什麼。 我們確實有可能在未來十年內使用這種相同的方法，在我們太陽系以外的類地岩質行星上發現潛在的生命信號，這些信號也含有碳和氧。 ”