研究人員正準備研究地球大小的系外行星的大氣層，重點是區分那些與地球相似的系外行星和那些與地球相似的系外行星金星，有一層厚厚的、富含二氧化碳的大氣層。
一個團隊模擬將金星視為系外行星並成功應用了為未來大型望遠鏡計畫的技術，顯示了準確描述遙遠行星大氣特徵的潛力。
系外行星大氣研究
在未來的十年裡，科學家將開始研究像地球和金星這樣小的行星。儘管它們的尺寸和堆積密度相似，但這為它們贏得了“，」地球和金星的大氣層截然不同。如果從光年之外觀察，科學家能區分它們嗎？
為了探索這個問題，來自 Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) 的團隊模擬了金星，就好像它是一顆遙遠的系外行星一樣。他們研究了使用現有技術可以收集哪些類型的大氣資料。發表於期刊氣氛他們的研究結果表明，用於研究大型熱系外行星的方法也可以適用於較小的世界。這項突破使研究人員更接近識別關鍵標記，這些標記可以區分地球等富含氮的溫帶大氣與金星等行星上發現的富含二氧化碳的極端大氣。
系外行星大氣研究的挑戰與技術
「目前用於研究系外行星大氣層的技術對於靠近恆星的巨行星是有效的，因此。然而，研究像地球或金星這樣小的天體的大氣層是一項挑戰。 「最有希望的目標通常沐浴在類似金星的恆星輻射環境中，因此『外金星』很可能是第一個對其大氣層進行表徵的小世界。我們的工作目標是像觀察一顆系外行星一樣觀察金星。
透過對金星數十年的其他研究，研究人員能夠驗證他們的結論。此外，他們表明，也可以使用這些與遙遠大氣層相同的技術來探測太陽系天體的大氣層，以檢測我們近鄰的化學物質種濃度非常低，很難透過其他方式找到。
觀察並理解金星的大氣特徵
為了將金星作為一顆系外行星進行觀察，該團隊分析了一組非常罕見的數據，這些數據是在2012 年6 月5 日至6 日收集的，這是本世紀金星最後一次穿越太陽圓盤－與探測系外行星大氣層的方式大致相同從我們在地球上的角度來看，它們從主恆星前面經過時。當恆星飛向地球時，它們會將自己的存在印在恆星的光上。這些痕跡中有分子在大氣中留下的訊號，這些訊號告訴天文物理學家它是由什麼組成的。
行星越小，這就越困難，但新的天文儀器計劃在 2030 年代開始運行，地球和金星大小的系外行星將在它們的範圍內。因此，已經在大型熱系外行星上成功使用的技術需要針對這些更具挑戰性的情況進行測試和校準，在這些情況下，相關訊號可能太小並且隱藏在雜訊中。
透過將這些技術應用於太陽前面金星凌日的數據，研究人員透過強大的設施驗證了它們的未來用途，例如那的極大望遠鏡（ELT）和歐洲太空總署（）的，葡萄牙和IA參與的項目。然而，要區分像地球這樣的世界和像金星這樣的世界，還需要做更多的工作。從遠處看，金星可能會被像我們這樣的行星誤解。
第一個遙遠的「地球」真的會是另一個地獄般的金星嗎？
由於二氧化碳濃度較高，金星大氣層受到極端溫室效應的影響，導致金星表面的鉛熔化，壓力達到了潛水瓶內的壓力。事實上，類似金星的大氣層很可能是第一個在「地球大小」的系外行星上出現的特徵。
「岩石行星固有的高溫和富含二氧化碳的大氣層，因此受到強烈的溫室效應的影響，導致化學活躍的環境，發生許多化學轉變。這使得這種類型的大氣很容易被探測到，」IA 和 Ciências ULisboa 的 Pedro Machado 說道，他也是這項研究的第二作者。
波爾圖大學 (FCUP) 科學院院士奧利維耶·德曼吉恩 (Olivier Demangeon) 補充道：「金星大氣層的密度大約是地球的 90 倍，而且溫度也高得多。因此，儘管金星的大氣層密度更大，但其大氣層卻更大。更大和更密都意味著我們觀察中的強烈特徵。我們在金星數據上檢測到了一些微弱的二氧化碳特徵，這在類地大氣中是不會出現的。然而，這仍然不是區分兩個行星最有效的方法。
增強太陽系研究的觀測技術
2012年，佩德羅·馬查多（Pedro Machado）和他的團隊參加了金星6月穿過太陽圓盤時的國際活動的協調觀測。他們還使用設施紅外線分光偏振計（FIRS）分析了鄧恩太陽望遠鏡（美國新墨西哥州國家太陽天文台）收集的光譜數據。這些數據指的是金星邊緣接觸並最終釋放太陽圓盤的那一刻，來自金星高層大氣折射的太陽光。
佩德羅·馬查多說：「我們將複雜的技術應用於太陽系天體，用於研究更遠的世界的大氣層，並且我們證明它們也可以用於檢測太陽系大氣中的微量化學成分。我們正在準備觀測，這些觀測將受益於這項技術來探測木星和土星當從地球上的望遠鏡看到一顆明亮的星星從他們身後經過時。環繞金星的軌道任務或火星也觀察到了穿過其大氣層的太陽。
「我們甚至在二氧化碳和一氧化碳分子中檢測到碳和氧同位素的清晰特徵，」馬查多補充道。某些同位素的數量隨時間變化，用於評估過去大氣環境的溫度和壓力及其時間尺度。
「估計同位素的相對數量使我們能夠得出有關金星演化故事的結論，」亞歷山大·布蘭科說。馬查多補充說：「這項工作對此做出了非常明顯的貢獻，這也是歐空局下一次金星任務的目標之一，，其中葡萄牙和 IA 合作：研究金星過去的演化。
用於ESO 的ELT 和ESA 的Ariel 太空任務的ANDES 攝譜儀均得到了IA 在科學和技術方面的貢獻，這兩個設施將促進對其他世界的研究，並將受益於與本次工作相關的研究。 Ariel 將能夠研究大約 1000 個已知係外行星的大氣層，為此，它將使用該團隊在這項工作中應用的相同觀測和分析技術。佩德羅·馬查多 (Pedro Machado) 是 Ariel 聯盟董事會成員和 Ariel 工作組協調員，該工作組將系外行星大氣研究與太陽系大氣研究聯繫起來。
參考文獻：“金星凌日傳輸光譜：系外行星大氣特徵的代理”，作者：Alexandre Branco、Pedro Machado、Olivier Demangeon、Tomás Azevedo Silva、Sarah A. Jaeggli、Thomas Widemann 和Paolo Tanga，2024 年11 月27日，氣氛。
DOI：10.3390/atmos15121431
