研究人員使用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡對TRAPPIST-1b進行的最新觀測，為了解繞紅矮星運行的系外行星的潛在大氣層提供了詳細的資訊。該研究分析了寬頻熱輻射數據，探討了岩石行星表面和含有大量二氧化碳和煙霧的大氣層的可能性，這可以解釋觀測到的熱反轉現象。

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）對TRAPPIST-1的最新觀測結果突顯了僅利用寬頻熱輻射數據確認行星大氣層所面臨的挑戰。 這項發現尤其具有現實意義，因為太空望遠鏡科學研究所（STScI）最近批准了”岩石世界”觀測計劃，該計劃將使用這種方法來研究幾顆圍繞冷恆星運行的岩石系外行星。

透過對小型岩石世界進行詳細的光譜分析，JWST 正在改變系外行星（太陽系外的行星）的研究。 不過，這種能力最適用於圍繞附近”紅矮星”（體積最小、溫度最低、質量最小的恆星）運行的行星。 JWST 的首要目標是TRAPPIST-1，這是一顆低質量紅矮星，擁有七顆地球大小的岩石行星，其中三顆位於恆星的宜居帶。 這個非凡的系統是由ULiège天文學家Michaël Gillon領導的一個國際團隊於2017年發現的。

最近，JWST 在中紅外線（一種我們的眼睛不敏感的光線）下對最內層的行星TRAPPIST-1 b 進行了深入觀測。 一個國際研究小組今天（12月16日）剛剛在《自然-天文學》上發表了對TRAPPIST-1 b收集到的所有中紅外線數據的完整分析，目的是確定這顆行星是否有大氣層。

“環繞紅矮星運行的行星是我們首次研究溫帶岩石行星大氣層的最佳機會，這些行星接收的恆星通量介於水星和火星之間，”這項研究的共同第一作者、法國巴黎原子能委員會（ CEA）助理天文學家Elsa Ducrot解釋。 “TRAPPIST-1行星為這項突破性研究提供了一個理想的實驗室。”

先前利用JWST 進行的觀測測量了TRAPPIST-1 b 在15 微米處的紅外線輻射，結果表明不太可能存在富含CO2 的厚大氣層（Greene 等人，2023）。 這結論的依據是，CO2 強烈吸收這一波長的輻射，如果存在這樣的大氣，觀測到的通量就會大大減少。 研究認為，測量結果最符合”黑暗裸岩”假設–一顆沒有大氣層的行星，其黑暗的表面幾乎吸收了所有射入的星光。 然而，單一波長的測量結果不足以排除所有可能存在大氣層的情況。

在這項新的研究中，作者透過測量這顆行星在另一個波長（12.8 微米）的通量，進一步拓展了這項工作。 他們對所有可用的JWST 數據進行了全面分析，並將這些觀測數據與表面和大氣模型進行了比較，以確定與數據最匹配的方案。

確定一顆系外行星是否有大氣層最常用的方法是凌日透射光譜法，包括觀測它的”凌日”，即當它以不同的波長從其宿主恆星前方經過時，探測並測量恆星向我們這個方向發射的光中被其大氣層吸收的極小部分，這是它的化學成分指標。

“然而，質量極低的紅矮星在這方面存在問題，”該研究的作者Michaël Gillon 教授（ULiège）解釋說。 ” 它們的表面並不均勻，這種不均勻性會污染凌日行星的透射光譜，並模仿大氣特徵。JWST 在觀測紅矮星周圍的凌日行星時曾多次觀測到這種現象。”

要克服這種恆星污染，同時還能獲得大氣存在（或不存在）的訊息，一種解決辦法是直接測量行星的熱量，方法是觀測行星從恆星背後經過時通量的下降（這種現象稱為掩星）。 透過在掩星之前和掩星期間觀測恆星，我們可以推斷行星發出的紅外光量。

這項研究的共同第一作者、法國巴黎原子能委員會（CEA）天體物理學部主任皮埃爾-拉加奇（Pierre Lagage）解釋說：”在JWST的頭兩年，發射很快成為研究紅矮星周圍岩質系外行星的首選方法。

為了反映這種日益增長的興趣，管理JWST 運行的太空望遠鏡科學研究所（STScI）最近批准了一項名為”岩石世界”的500 小時主任自由支配時間（DDT）計劃，採用與作者完全相同的方法，透過掩星觀測來研究附近M 矮星周圍的系外行星大氣層，但只在15 微米處進行觀測。

研究結果與Greene 等人提出的”黑暗、裸露表面”設想並不十分一致。 作者發現，由超基性岩（富含礦物質的火山岩）組成的較不灰暗的裸露表面能更好地解釋數據。

另外，他們也證明了含有大量CO2 和灰霾的大氣層也能解釋觀測結果。 這是一個令人驚訝的結果，因為富含CO2 的大氣層似乎與15 微米處的強烈輻射不相容。 然而，霧霾可以從根本上改變這種情況：它可以有效地吸收星光，使大氣上層的溫度高於下層，形成所謂的”熱反轉”，就像地球上的平流層一樣。 這種反轉會使二氧化碳₂ 發出光而不是吸收光，使15 微米處的光通量高於12.8 微米處的光通量。

「這種熱反轉在太陽系天體的大氣層中非常常見，最相似的例子可能是土星的衛星土衛六的朦朧大氣層。 然而，TRAPPIST-1b 大氣層中的化學成分預計與土衛六或太陽系中的任何岩石天體都非常不同。

作者指出，這種大氣模型雖然與數據一致，但其可能性仍低於裸岩方案。 它的複雜性以及與霧霾形成和TRAPPIST-1 b 上長期氣候穩定性有關的問題使其成為一個難以實施的模型。 未來的研究，包括先進的三維建模，將需要探索這些問題。 更廣泛地說，研究小組強調僅憑幾個波長的發射測量結果很難確定行星的表面或大氣成分，同時強調了兩種令人信服的情況，將在下一次對TRAPPIST-1 b的觀測中進行更詳細的探索。

“儘管這兩種情況都是可行的，但我們最近對TRAPPIST-1 b的相位曲線進行的觀測將有助於解開這個謎團，”與Elsa Ducrot博士共同領導JWST新項目的Michaël Gillon教授說。 “透過分析熱量在行星上重新分配的效率，天文學家可以推斷出大氣層的存在。 如果存在大氣層，熱量就應該從行星的白天分配到夜晚；如果沒有大氣層，熱量的重新分配就會微乎其微。”

因此，我們很快就能知道TRAPPIST-1 內行星周圍是否存在大氣層。

編譯自/ ScitechDaily