詹姆斯-韦伯太空望远镜将怎样探测系外行星
詹姆斯-韦伯太空望远镜将怎样探测系外行星
（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：詹姆斯-韦伯太空望远镜发布的首批科学数据的一大亮点是系外行星大气层的光谱，其显示出韦伯的仪器如何能看到这些遥远大气层是由什么构成的。这是系外行星研究的一大进步，甚至可以帮助寻找潜在的宜居世界。更妙的是，用于研究这颗系外行星的方法还可以用来探测和检查其他系外行星。
行星在我们看来可能很大，但事实上，它们在银河系的计划中是非常微小的。跟恒星不同，恒星要大得多，而且会发出自己的光，而行星则很小、很暗且很难看到。这意味着使用韦伯这样的望远镜的研究人员很少能直接看到一颗行星；相反，他们必须通过观察行星如何改变它周围的环境来推断它的存在。
发现系外行星的一个方法是观察它所围绕的恒星，也就是它的主星。如果把望远镜对准一颗恒星我们会看到它发出的光。有时，当一颗行星从它前面经过时，我们从这颗恒星上看到的光量会非常轻微地下降。如果我们看到这种亮度的下降是有规律的，我们就可以推断出那里有一颗行星，并且它在绕着恒星运行时造成了亮度的下降。这被称为凌日法，它是像现已退休的开普勒太空望远镜或NASA目前的凌日系外行星调查卫星(TESS)这样的望远镜发现系外行星的方法。
詹姆斯-韦伯也将能够观测这些凌日，这是它研究系外行星的一种方式。在第一次发布的科学数据中甚至拥有一个凌日数据的例子，其显示了当WASP-96行星从它面前经过时，WASP-96星的光线是如何倾斜的。这些数据是使用韦伯的近红外成像仪和无缝隙光谱仪(NIRISS)仪器，并利用其单物无缝隙光谱学(SOSS)模式收集的。这种模式可以研究系外行星，方法是将非常明亮的恒星去掉焦距并将光线分散到各个像素上，这样就可以观察到相对微小的行星的影响。
行星穿过其恒星的表面需要一些时间--就WASP-96 b而言需要两个半小时--在此期间，望远镜每1.4分钟进行一次测量。该仪器还收集了过境前后几个小时的数据。行星对恒星亮度造成的差异非常小，不到1.5%，但由于该仪器非常敏感，它可以检测到这些微小的变化。
从这些数据中，科学家们可以了解更多关于系外行星的信息，如弄清它的大小和轨道特性。过境法只是识别和研究系外行星的一种方法。韦伯将跟地面望远镜合作以发现新的系外行星，另外使用径向速度法了解它们的质量--它甚至能使用一种叫做coronagraphy的技术对一些系外行星直接成像。
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（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：对于系外行星爱好者来说，这是一个了不起的梦想成真，NASA的詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)已经展示了其前所未有的能力，其可以分析1000多光年外的系外行星的大气层。
凭借其270平方英尺（25平方米）的镜面、精确的光谱仪和敏感的探测器的综合力量，韦伯在一次观测中检测到了明确的水的特征、雾霾的迹象以及根据以前的观测认为不存在的云的证据。
通过使用韦伯的近红外成像仪和无缝隙光谱仪(NIRISS)制作的热气巨行星WASP-96 b的透射光谱，眼下都还只是韦伯令人兴奋的系外行星探索前景的一瞥。
NASA的詹姆斯-韦伯太空望远镜已经捕捉到了围绕着一颗遥远的类太阳恒星运行的气态巨行星的大气层中明显的水的特征。另外，它还发现了云层和雾霾的证据。
这项观测是迄今为止最详细的观测，这显示了韦伯分析数百光年外大气层的惊人能力。另外，它根据精确颜色的光的亮度的微小下降揭示了特定气体分子的存在。
在过去的20年里，哈勃太空望远镜已经分析了许多系外行星的大气层并在2013年捕获了第一个明确的水的检测。然而韦伯的直接和更详细的观察标志着在寻求描述地球以外的潜在宜居行星方面的巨大飞跃。
WASP-96 b是银河系中5000多颗确认的系外行星之一。它位于约1150光年之外的南天星座“凤凰座”内，代表了一种在我们太阳系中没有直接类似物的气体巨行星。WASP-96 b的质量不到木星的一半，直径为木星的1.2倍，这比任何围绕我们太阳运行的行星都要膨大。并且它的温度超过1000华氏。WASP-96 b的轨道离它的类太阳恒星非常近，只有水星和太阳之间距离的九分之一，每3个半地球日完成一个循环。
大尺寸、短轨道周期、蓬松的大气层及缺乏来自天空中附近物体的污染光，这些因素的结合使得WASP-96 b成为大气观测的理想目标。
当地时间6月21日，韦伯的NIRISS测量了WASP-96系统的光线，时间为6.4小时。其结果是一条显示过境期间星光整体变暗的光曲线以及一个揭示0.6至2.8微米之间个别波长红外光亮度变化的透射光谱。
虽然光曲线证实了已经从其他观测中确定的行星的属性--行星的存在、大小和轨道--但透射光谱揭示了以前隐藏的大气层的细节：明确的水的特征、雾霾的迹象及根据以前的观测认为不存在的云的证据。
透射光谱是通过比较当行星在恒星上移动时通过行星大气层过滤的星光和当行星在恒星旁边时检测到的未过滤的星光而得出。研究人员能够根据吸收模式--图上峰值的位置和高度--来检测和测量行星大气中关键气体的丰度。就像人有独特的指纹和DNA序列一样，原子和分子也有它们所吸收的波长的特征模式。
NIRISS捕捉到的WASP-96 b的光谱不仅是迄今为止捕捉到的最详细的系外行星大气的近红外透射光谱，而且它还涵盖了一个非常广泛的波长范围--包括可见的红光和以前没有从其他望远镜中获得的一部分光谱（波长超过1.6微米）。这部分光谱对水以及其他关键分子如氧气、甲烷和二氧化碳特别敏感，这些分子在WASP-96 b的光谱中并不明显但在计划由韦伯观测的其他系外行星中应该可以检测到。
研究人员将能使用光谱来测量大气中的水蒸气量、限制各种元素如碳和氧的丰度并估计大气的温度与深度。然后，他们可以利用这些信息来推断这个星球的整体构成以及它是如何、何时、何地形成的。图中的蓝线是一个最佳拟合模型，它考虑到了数据、WASP-96 b及其恒星的已知属性及假定的大气层特征。
由于韦伯的最先进的设计，这些测量的特殊细节和清晰度是可能的。它270平方英尺的黄金涂层镜面有效地收集了红外光。它的精密光谱仪则将光线分散成成千上万种红外颜色的彩虹。其敏感红外探测器可以测量出极其微妙的亮度差异。NIRISS能够探测到仅为千分之一微米的色差及这些颜色之间几百分之一的亮度差异。
此外，韦伯的极端稳定性和它在拉格朗日2号点周围的轨道位置--大约远离地球大气层的污染影响100万英里--使得它可以不受干扰地观看并获得可以相对快速分析的干净数据。
这个特别详细的光谱--通过同时分析在观测过程中捕捉到的280个单独的光谱--仅仅提供了韦伯为系外行星研究准备的一个暗示。在未来的一年里，研究人员将利用光谱学来分析几十颗系外行星的表面和大气层，从小型岩质行星到富含气体和冰的巨行星。据悉，韦伯第一周期的观测时间有近四分之一被分配用于研究系外行星和形成它们的材料。
这次NIRISS观测表明，韦伯有能力对系外行星的大气层--包括那些潜在的宜居行星--进行精细的描述。
相关报道：詹姆斯·韦伯太空望远镜证明了其在寻找外星生命方面的价值
（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：为了寻找外星生命，天文学家将需要在遥远星球的大气层中寻找线索--而美国宇航局（NASA）的詹姆斯·韦伯太空望远镜刚刚证明了这样做的可能性。生命所需的成分遍布整个宇宙。虽然地球是宇宙中唯一已知有生命的地方，但探测我们星球以外的生命是现代天文学和行星科学的一个主要目标。
亚利桑那大学天文学特聘教授Chris Impey和该校天文学和行星科学教授Daniel Apai是研究系外行星和天体生物学的两位研究人员。在很大程度上要感谢像詹姆斯·韦伯这样强大的下一代望远镜，像他们这样的科学家将很快能够测量围绕其他恒星运行的行星的大气层的化学构成。两位研究人员希望能在这些系外行星中的一颗或多颗上检测到生命的化学特征。
可居住的系外行星
生命可能存在于我们太阳系中有液态水的地方--比如木星的卫星欧罗巴的海洋或火星的地下水层中。然而，在这些地方寻找生命是非常困难的，因为它们很难到达，探测生命需要发送一个探测器来收集和返回物理样本。
许多天文学家认为，在围绕其他恒星运行的行星上很有可能存在生命，而且这有可能是首次发现地外生命的地方。
根据理论计算，仅在银河系就有大约3亿颗潜在的宜居行星，在距离地球仅30光年的范围内有几颗宜居的地球大小的行星--基本上是人类的银河系邻居。迄今为止，天文学家已经发现了5000多颗系外行星，包括数百颗潜在的宜居行星，使用的是测量行星如何影响其附近恒星的间接方法。虽然这些测量可以给天文学家提供关于系外行星的质量和大小的基本信息，但它们并不能提供更多其他信息。
寻找生物特征
为了探测一个遥远星球上的生命，天体生物学家将检查与一个星球的表面或大气相互作用的星光。如果大气层或表面被生命改造过，光线可能带有线索，称为"生物特征"。
在其存在的前一半时间里，地球拥有一个没有氧气的大气层，尽管它拥有简单的单细胞生命。在这个早期时代，地球的生物信号是非常微弱的。这种情况在24亿年前发生了突变，当时一个新的藻类家族进化了。这些藻类使用一种产生自由氧的光合作用过程--没有与任何其他元素化学结合的氧气。从那时起，地球上充满氧气的大气层就在穿过它的光线上留下了强烈的、容易检测的生物特征。
当光从一个材料的表面反弹或通过一个气体时，某些波长的光比其他波长的光更有可能留在气体或材料的表面上被捕获。这种对光的波长的选择性捕获是物体呈现不同颜色的原因。叶子是绿色的，因为叶绿素特别擅长吸收红色和蓝色波长的光。当光线照射到叶子上时，红色和蓝色的波长被吸收，剩下的大部分绿光被反弹到你的眼睛里。
缺少的光的模式是由光与之相互作用的材料的特定成分决定的。正因为如此，天文学家可以通过测量来自行星的光的具体颜色来了解系外行星的大气层或表面的组成情况。
这种方法可以用来识别某些与生命有关的大气气体的存在--如氧气或甲烷--因为这些气体在光线中留下了非常具体的特征。它也可以用来检测一个星球表面的特殊颜色。例如，在地球上，植物和藻类用于光合作用的叶绿素和其他色素会捕捉特定波长的光。这些色素产生了特有的颜色，可以通过使用敏感的红外相机来检测。如果你看到这种颜色从一个遥远的星球的表面反射出来，它将有可能标志着叶绿素的存在。
太空和地球上的望远镜
为了探测来自潜在可居住的系外行星的光线的这些微妙变化，需要一个极其强大的望远镜。就目前而言，唯一能够完成这一壮举的望远镜是新的詹姆斯·韦伯太空望远镜。由于它在2022年7月刚刚开始科学运作，韦伯对气态巨型系外行星WASP-96b的光谱进行了读取。尽管光谱显示存在水和云层，但像WASP-96b这样大而热的行星不太可能承载生命。
然而，这一早期数据表明，詹姆斯·韦伯望远镜能够探测到来自系外行星的光线中微弱的化学特征。在新的几个月里，韦伯将把它的镜子转向TRAPPIST-1e，这是一颗可能适合居住的地球大小的行星，距离地球仅有39光年。
韦伯可以通过研究行星在其宿主恒星面前经过时的生物特征，并捕捉穿过行星大气层的星光，来寻找生物特征。但是韦伯并不是为了寻找生命而设计的，所以该望远镜只能仔细检查最近的几个潜在的宜居世界。它也只能检测大气层中二氧化碳、甲烷和水蒸气水平的变化。虽然这些气体的某些组合可能表明有生命存在，但韦伯无法探测到未结合的氧气的存在，而这是生命的最强信号。
未来更强大的太空望远镜的领先概念包括计划阻挡行星宿主星的亮光，以显示从行星反射回来的星光。这个想法类似于用你的手挡住阳光，以便更好地看到远处的东西。未来的太空望远镜可以使用小型的、内部的面具或大型的、外部的、类似雨伞的航天器来做这件事。一旦星光被阻挡，研究从一个星球上反弹的光线就变得更加容易。
目前还有三个巨大的地面望远镜正在建设中，它们将能够搜索生物特征：大麦哲伦望远镜、三十米望远镜和欧洲极大望远镜。每一个都比地球上现有的望远镜强大得多，这些望远镜也许能够探测最近的世界的大气层中的氧气，尽管地球的大气层扭曲了星光，这是一个障碍。
这到底是生物学还是地质学？
即使使用未来几十年最强大的望远镜，天体生物学家也只能探测到那些已经被生命完全改变的世界所产生的强烈的生物特征。
不幸的是，陆地生命释放的大多数气体也可以由非生物过程产生--奶牛和火山都释放甲烷。光合作用会产生氧气，但是阳光也会，当它把水分子分裂成氧气和氢气时。在寻找遥远的生命时，天文学家很有可能会检测到一些假阳性。为了帮助排除假阳性，天文学家将需要充分了解一个感兴趣的行星，以了解其地质或大气过程是否可以模仿生物特征。
下一代的系外行星研究有可能通过证明生命存在所需的非凡证据的标准。詹姆斯·韦伯空望远镜发布的第一份数据让研究人员感受到了即将到来的令人兴奋的进展。
相关报道：调查：大多数美国人对NASA韦伯望远镜投资表示支持
（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：詹姆斯-韦伯太空望远镜是同类科学努力中最有据可查的一个，从其成立初期一直到2022年夏天拜登总统分享其第一次清晰的捕获，一直都在公众的视野中。但尽管它拥有所有的承诺并且有能力将天文发现带入一个新的时代，公众对NASA领导的项目的看法却有些偏差，有些人甚至认为这是一项糟糕的投资。
根据YouGov进行的一项调查，70%的美国成年人对这个旨在揭开银河系演变和行星系统形成之谜的太空项目持赞成态度。近16%的受访者对詹姆斯-韦伯太空望远镜没有明确的看法，而14%的人对其持反对意见。从整个政治角度来看，跟民主党结盟的人有79%的人持赞成态度，72%的共和党人对这个漂浮的天文台有积极的印象。据悉，该望远镜目前正在距离地球约100万英里的地方围绕太阳运行。
YouGov还从金融投资的角度对詹姆斯-韦伯太空望远镜进行了民意调查，比较的对象包括哈勃太空望远镜、将宇航员送回月球及向其他星球发射探测器等其他举措相比。有趣的是，60%的受访美国公民认为韦伯项目是一个值得投资的项目，而只有5%的参与者将其列为非常糟糕的投资。
在所有跟太空有关的举措中，全球定位系统(GPS)以76%的被调查者的积极认可而成为最值得的投资。紧随其后的是哈勃望远镜，占70%，而66%的受访者将国际空间站列为一项好的投资。
但请记住，这项调查只涉及1000人，跟全美超3亿的人口相比是一个极小的数字。此外，韦伯望远镜才开始显示其潜力，不像其他已经存在了几十年的太空项目。截止到目前，第一组韦伯图像已经以其前所未有的清晰度令世界惊叹，但随着它将更多的观测数据转发回地球，更多的东西还未到来。
相关报道：詹姆斯·韦伯望远镜通过大气分析能锁定地外海洋世界
（神秘的地球uux.cn报道）据新浪科技：国外媒体报道，目前，一项最新发现可使美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜确定地外星球中陆地和海洋的面积比例。一项假设地外星球大气条件的最新模拟实验，可能有助于詹姆斯·韦伯太空望远镜完成深入勘测探索，揭示系外行星是否有能力容纳生命的重要线索。
这项最新研究表明，任何可能与地球相似的岩石星球，其气候特征很大程度上取决于该星球朝向主恒星一侧的陆地和海洋面积大小和位置，尽管当前该望远镜仍缺乏勘测系外行星表面分辨率的能力，但是该发现可以帮助天文学家通过大气层光谱分析，获得关于行星表面的相关结论。
该项研究负责人、加拿大多伦多大学物理系研究生伊芙琳·麦克唐纳(Evelyn Macdonald)称，我们的研究表明，类地行星上陆地分布对其气候产生很大影响，这将有助于天文学家使用詹姆斯·韦伯太空望远镜等仪器观测地外行星，从而更好地解释他们所看到的天体特征。
伊芙琳和同事使用一种名为ExoPlaSim的气候模拟技术来模拟陆地和海洋的数量和分布，进而理解该特征如何影响潮汐锁定气候。
潮汐锁定行星是与主恒星保持同步旋转，这意味着它绕轴旋转所需时间与绕恒星旋转所需时间一致，因此，该行星在同速旋转下，始终有一侧朝向主恒星，这与月球始终保持同一侧朝向地球的现象是相同的。
据悉，环绕红矮星运行的岩石行星特别容易受到潮汐锁定的影响，因为红矮星系统通常比较“紧凑”，行星非常接近恒星。尽管它们距离主恒星很近，但这些行星可能处于宜居带——行星与主恒星保持适当距离从而能表面存在液态水，并且红矮星表面温度低，大约3500摄氏度，比太阳低大约2000摄氏度。
行星环绕恒星运行几天时间，会使它们更易受到恒星引力锁定影响，然而，这种所谓的潮汐锁定并不意味着某颗行星近半球是持续白昼，远半球是持续夜晚。因此，行星宜居性也取决于它将热量从昼侧重新分配至夜侧的能力，这将导致该行星表面不会过热或者过冷。
伊芙琳和同事模拟了两种假设条件行星：一种是亚恒星点(直接朝向恒星)是圆形大陆，被海洋包围着；另一种是亚恒星点是圆形海洋，被陆地包围着。之后他们改变每种假设行星条件中陆地和海洋的数量，从而观察如何影响该行星的气候特征。
这些模型表明，在一个潮汐锁定的行星，全球平均气温更多地取决于陆地面积，而不是陆地的位置，在模拟测试中，拥有日侧半球陆地面积较多的行星，无论是中心亚恒星点或者环绕一个亚恒星点海洋，其表面平均温度上升了大约20摄氏度。
此外，陆地面积越大，恒星照射的面积就越大，该行星大气层将高温干燥，这是因为更多陆地的存在意味着蒸发至大气层的地表水分更少，这也导致降水量更少。伊芙琳说：“所以该情况下这片陆地极有可能是沙漠气候，总体而言，全球表面温度最高、大气水蒸汽最多的行星，其海洋位于昼侧中心，并位于该行星表面温度较低区域。”
逐渐增加的大气水蒸汽将导致更多云层形成，因为水蒸汽是一种温室气体，它使大气层更具吸收热量的能力，并将热量输送到行星另一侧半球。由于詹姆斯·韦伯太空望远镜的科学目标之一是分析邻近类地系外行星的大气层特征，并试图确定它们是否适宜生命存活，这项最新研究将有助于韦伯太空望远镜进一步勘测此类行星，并揭晓我们它们是干燥的荒漠，还是拥有陆地和海洋的宜居世界。目前这项最新研究报告发表在2022年6月刊《皇家天文学会月刊》上。
相关报道：Twitter 上充斥着天文学家们发布的NASA韦伯太空望远镜新发现
（神秘的地球uux.cn报道）据cnBeta：尽管距离美国宇航局（NASA）披露其第一组精美的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）图像已经超过一周了，但7月12日的发布之后的兴奋感还没有消退。目前已经有大量的天文学家急切地筛选着JWST的公共数据集，尽力去理解这台价值100亿美元的机器在距离地球100万英里的太空中捕获的无价信息。
例如，周一，哥本哈根大学副教授Gabriel Brammer在Twitter上发布了一个引人注目的紫色漩涡。这是一个生动的深渊，它植根于Brammer在网上下载的JWST数据，即遥远的NGC 628星系，又称Messier 74或“幻影星系”。
Brammer在Twitter上说，这个距离地球3000万光年的螺旋体发出了催眠般的光芒。
基本上，为了得到这个令人着迷的结果，Brammer处理了JWST的原始数据，这些数据是由该望远镜的中红外仪器（或称MIRI）收集的，它被埋藏在一个名为Barbara A. Mikulski Space Telescopes档案的在线门户网站中。然后，Brammer给MIRI检测到的来自Messier 74的波长分配了各种颜色的滤光片--这是一个充斥着被称为多环芳烃的分子的星系。
“为了了解更多的情况，”Brammer写道，作为对好奇的评论者的回应，“这里的紫色实际上是‘真实的’，因为星际‘香烟’烟雾（多环芳烃分子）的排放使得用于蓝色和红色通道的过滤器相对于绿色更亮。换句话说，我们看到的浓重的紫水晶色调是一种审美上的准确。”
但是当谈到随意浏览和艺术地想象JWST的发现时，Brammer丝毫不孤单。事实上，NASA的天文学家Janice Lee（Brammer说她负责"规划和执行"紫色威严背后的数据）--也在Twitter上发表了一篇令人惊叹的JWST构思。
这是一张NGC 7496星系的GIF图，它在哈勃的可见光镜头和JWST的红外镜头之间切换，以便照亮“黑暗的尘埃通道，详细揭示了恒星形成的最早阶段”，Janice Lee在Twitter上写道。令人着迷的是，这一美丽的渲染是Lee所参与的一个更宏大的项目的一部分：一个名为“近距离星系高角度分辨率下的物理学调查(PHANGS)”的项目。
根据NASA的说法，PHANGS的任务是利用JWST简单地揭开恒星形成的奥秘，同时与整个天文界分享任何发现。简而言之，这个想法是帮助世界各地的科学家在关注JWST的同时携手合作，从而加快解密未经过滤的宇宙的进程。
一些科学家在Twitter上甚至宣布，他们已经开始提交基于JWST信息的论文，供同行评审。这一切都发生得非常快。例如，太空望远镜科学研究所的工作人员科学家Mike Engesser在Twitter上发布了一项与JWST有关的研究，涉及一个瞬态和可能的超新星。根据Engesser的说法，这个潜在的恒星爆炸是由JWST的近红外相机捕捉到的。值得注意的是，Brammer也协助这个团队进行了分析。
正如Engesser所解释的，在左上角，你可以看到JWST的NIRCam数据的彩色合成图像，而在右边，则是哈勃太空望远镜在2011年拍摄的同一区域的光学版本。
但是，从字面和隐喻的角度来看，一些研究人员还发现了一个可能是“我们所见过的最古老的星系”，它被早期发布的JWST NIRCam数据所发现。对于未经训练的眼睛来说，它似乎是一个潜伏在漆黑背景上的红点。
哈佛大学的天文学家Rohan Naidu及其同事在他们的arXiv预印本中说，这个星系可能拥有10亿个太阳的质量，其中还涉及到另一个值得注意的星系体。然而，正如Naidu所指出的，还有另一个团队也在追寻这个星系的难题。他们也向arXiv提交了一篇论文供审查。
而这些发现只是JWST已经掌握的数据集的表面。在短短九天内，天文学界已经成功地从JWST的仪器中获取了大量的信息。
