科學家在模擬富含水的系外行星的霧霾條件方面取得了重大突破，為觀測這些遙遠的世界以尋找地外生命所面臨的挑戰提供了新的見解。研究人員成功模擬了富含水的系外行星形成陰霾天空的條件。這是確定霧霾如何干擾地面和太空望遠鏡觀測的關鍵一步。

兩顆擁有朦朧大氣層的富含水的系外行星示意圖。圖片來源：Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins 大學

系外行星研究的新工具

這項研究為研究系外行星大氣化學提供了新工具，並將幫助科學家模擬系外行星水的形成和演化過程，這些發現可能有助於尋找太陽系外的生命。

“最重要的問題是太陽系外是否存在生命，但要回答這樣的問題，需要對所有不同類型的行星，特別是有大量水的行星，進行非常詳細的建模，”合著者、約翰-霍普金斯大學地球與行星科學副教授薩拉-霍斯特（Sarah Hörst）說。”這一直是一個巨大的挑戰，因為我們沒有足夠的實驗室工作來完成這項工作，所以我們正試圖利用這些新的實驗室技術，從我們正在使用的所有這些大型花式望遠鏡獲取的數據中獲得更多資訊。”

研究小組於11月27日在《自然-天文學》（Nature Astronomy）雜誌上發表了他們的研究成果。

研究人員說，一顆行星的大氣層是否含有霾或其他粒子，對全球溫度、星光入射水平以及其他可能阻礙或促進生物活動的因素有顯著影響。小組在霍斯特實驗室的一個專門設計的密室中進行了實驗。霍斯特說，他們首次確定了太陽系外的水行星中能形成多少霧霾。

霧霾由懸浮在氣體中的固體顆粒組成，它會改變光線與氣體相互作用的方式。不同程度和種類的霧霾會影響粒子在大氣中的傳播方式，從而改變科學家用望遠鏡探測到的遙遠行星的情況。

系外行星觀測面臨的挑戰

“當我們試圖觀測一顆行星是否適合居住時，水是我們首先要尋找的東西，而且已經在系外行星大氣中觀測到了令人興奮的水。但我們的實驗和建模表明，這些行星很可能還含有霧霾，”約翰-霍普金斯大學領導這項研究的行星科學家何超說。”這種霧霾確實使我們的觀測變得複雜，因為它遮蔽了我們對系外行星大氣化學和分子特徵的觀察”。

科學家用望遠鏡研究系外行星，觀察光線如何穿過大氣層，發現大氣氣體如何吸收不同色調或波長的光。扭曲的觀測結果會導致對空氣中重要物質（如水和甲烷）的含量以及大氣中顆粒物的類型和水平的誤判。霍斯特說，這種誤讀會損害科學家對全球溫度、大氣厚度和其他行星狀況的結論。

模擬系外行星大氣層

研究小組調製了兩種氣體混合物，其中含有水蒸氣和其他假定係外行星常見的化合物。他們用紫外線照射這些混合物，模擬恆星發出的光如何引發產生霧粒的化學反應。然後，他們測量了霧霾粒子對光的吸收和反射程度，以了解它們如何與大氣中的光相互作用。

與先前的研究相比，新數據更準確地匹配了一顆被研究得很透徹的系外行星GJ 1214 b 的化學特徵，證明了不同光學性質的霧霾會導致對行星大氣層的誤讀。

未來研究方向

外星大氣可能與太陽系的大氣截然不同，Hörst 補充說，目前已確認的系外行星有5000 多顆，它們的大氣化學成分各不相同。

研究團隊目前正在努力創造更多實驗室製造的霧霾”類似物”，其氣體混合物能更準確地反映他們在望遠鏡中看到的情況。

霍斯特說：「人們在對這些大氣層進行建模時，將能夠利用這些數據來了解大氣層和行星表面的溫度，是否存在雲層，雲層有多高，雲層是由什麼構成的，或者風速有多快。所有這些事情都能幫助我們真正把注意力集中在特定的行星上，使我們的實驗獨一無二，而不是在試圖了解全局時只是進行一般化的測試。”