系外行星是太陽系外宇宙所有行星的名稱，對系外行星的研究是相當新的領域。就像堪薩斯大學系外行星實驗室（ExoLab）的研究人員一樣，系外行星研究人員主要利用哈伯太空望遠鏡和韋伯太空望遠鏡等太空望遠鏡的數據進行研究。每當新聞頭條提供”類地”行星或有可能支持人類的行星的發現時，他們談論的都是我們銀河系內的系外行星。

這是藝術家繪製的系外行星GJ 9827d的概念圖，這是在大氣層中探測到水蒸氣的最小的系外行星。這顆行星可能是銀河係其他地方潛在的富含水大氣的行星的一個例子。這顆行星的直徑只有地球的兩倍，圍繞著紅矮星GJ 9827。左側是該星系的兩顆內行星。圖中的背景恆星是在沒有輔助的情況下，用肉眼回望太陽時看到的。太陽太暗，無法看見。資料來源：NASA、ESA、Leah Hustak（STScI）、Ralf Crawford（STScI）

堪薩斯大學ExoLab實驗室的博士候選人喬納森-布蘭德（Jonathan Brande）剛剛在開放獲取的科學雜誌《天體物理學期刊通訊》（TheAstrophysical Journal Letters）上發表了研究成果，展示了15顆類似海王星的系外行星的新大氣細節。雖然沒有一顆系外行星可以支持繁衍智慧生物，但更了解它們的行為可能有助於我們理解為什麼我們沒有一顆小海王星，而大多數太陽系似乎都有一顆這樣的行星。

布蘭德說：”在堪薩斯大學的過去幾年裡，我的工作重點是透過一種被稱為透射光譜學的技術研究系外行星的大氣層。當行星過境時，也就是在我們的視線和當它所環繞的恆星之間移動時，恆星發出的光會穿過行星的大氣層，被其中的各種氣體吸收。透過捕捉恆星​​的光譜–將光線通過一種稱為攝譜儀的儀器（類似於將光線通過稜鏡）–我們可以觀測到彩虹，測量不同組成顏色的亮度。光譜中亮度或暗度不同的區域揭示了行星大氣中吸收光線的氣體」。

利用這種方法，布蘭德幾年前發表了一篇關於”溫暖的海王星”系外行星TOI-674 b的論文，他在論文中提出的觀測結果表明其大氣中存在水蒸氣。這些觀測是布蘭德的導師、昆士蘭大學物理與天文學副教授伊恩-克羅斯菲爾德（Ian Crossfield）領導的一項更廣泛計劃的一部分，該計劃旨在觀測海王星大小的系外行星的大氣層。

布蘭德說：”我們希望了解這些行星的行為，因為比地球稍大、比海王星小的行星是銀河系中最常見的。”

最近發表的這篇ApJL 論文總結了該計劃的觀測結果，並納入了其他觀測數據，以解決為什麼有些行星看起來是渾濁的，而另一些行星則是透明的。布蘭德和他的合著者特別注意到系外行星大氣層中容易形成雲層或霧霾的區域。昆士蘭大學的研究人員說，當大氣中存在這種氣溶膠時，霧霾會阻擋透過大氣層的光線。

如果一顆行星的表面正上方有雲層，雲層上方有數百公里的透明空氣，那麼星光就可以很容易地穿過透明空氣，只被大氣層那部分的特定氣體吸收。然而，如果雲的位置非常高，雲通常在整個電磁頻譜中都是不透明的。雖然雲霧具有光譜特徵，但對於天文學家的工作來說，他們用哈伯聚焦於一個相對較窄的範圍，也會產生大部分平坦的光譜。當這些氣溶膠出現在大氣層的高處時，光線就沒有了清晰的過濾路徑。

布蘭德說：『利用哈伯，我們最敏感的單一氣體就是水蒸氣。如果我們在行星的大氣層中觀測到水蒸氣，這就很好地說明沒有高到足以阻擋其吸收的雲層。反之，如果沒有觀測到水蒸氣，只看到一個平坦的光譜，儘管知道該行星應該有一個擴展的大氣層，這表明在更高的高度可能存在雲層或霧霾。”

布蘭德領導一個國際天文學家團隊完成了這篇論文，其中包括昆明理工大學的克羅斯菲爾德和來自德國海德堡馬克斯-普朗克研究所的合作者、勞拉-克賴德伯格領導的團隊，以及卡羅琳-莫利領導的德州大學奧斯汀分校的研究人員。

布蘭德和他的合著者的分析方法與以往的分析方法不同，他們專注於確定小海王星大氣的物理參數。與此相反，先前的分析通常是將單一的模型光譜與觀測資料進行擬合。

通常情況下，研究人員會使用一個預先計算出含水量的大氣模型，對其進行縮放和移動，使其與樣本中觀測到的行星相符。這種方法能顯示光譜是清晰還是混濁，但無法提供大氣中水蒸氣含量或雲層位置的資訊。相反，布蘭德採用了一種被稱為”大氣檢索”的技術。

他說：”這涉及對水蒸氣數量和雲層位置等各種行星參數進行大氣建模，通過成百上千次模擬迭代以找到最佳擬合配置。我們的檢索為每顆行星提供了一個最佳擬合模型光譜，並據此計算出該行星的渾濁度或清晰度。然後，我們將測得的清晰度與卡羅琳-莫利（Caroline Morley）的一套單獨模型進行了比較，結果顯示我們的結果符合對類似行星的預期。在研究雲和霧霾的行為時，我們的模型顯示雲比霧霾更適合。沉積效率參數反映了雲的緊密程度，它表明觀測到的行星沉積效率相對較低，從而產生了蓬鬆的雲。這些雲由水滴等微粒組成，由於沉降趨勢較低，所以一直漂浮在大氣層中”。

布蘭德的研究結果讓人們對這些行星大氣層的行為有了更深入的了解，當他在美國天文學會最近的一次會議上介紹這些研究結果時，引起了”極大的興趣”。

此外，布蘭德也是克羅斯菲爾德領導的國際觀測計劃的一部分，該計劃剛剛宣佈在GJ 9827d上發現了水蒸氣–這是一顆距離地球97光年的行星，位於雙魚座，溫度與金星相當。

哈伯太空望遠鏡的觀測結果表明，這顆行星可能只是銀河系中富含水的行星的一個例子。這些結果是由蒙特利爾大學特羅蒂埃系外行星研究所的皮埃爾-亞歷克西斯-羅伊領導的研究小組宣布的。

布蘭德說：”我們正在海王星以下類型行星的大氣層中尋找水蒸氣。皮埃爾-亞歷克西斯的論文是這項主要工作的最新成果，因為我們花了大約10 或11 個軌道或行星凌日才探測到水蒸氣。皮埃爾-亞歷克西斯的光譜作為我們的趨勢數據點之一進入了我們的論文，我們將他們提案中的所有行星和文獻中研究的其他行星都納入其中，使我們的結果更加有力。在兩篇論文的撰寫過程中，我們一直與他們保持著密切的溝通，以確保我們使用了正確的最新結果，並準確地反映了他們的研究成果。”

編譯自: ScitechDaily