NASA 的詹姆斯韋伯太空望遠鏡可以幫助解決這 5 個系外行星難題

探測系外行星曾經非常困難，以至於科學家發現了第一個黑洞，探測到了大爆炸的剩餘輻射，並拍攝了無數遙遠星系的快照，然後在1992 年發現了太陽系之外的第一顆行星。

但現在，天文學家已經發現了超過 5,000——並繼續尋找更多（序號：3/22/22）。鑑於不斷的發現，我們很容易忘記我們對這些遙遠世界的了解是多麼的少。藝術家表演中出現的色彩繽紛的火山、海洋和雲紋大氣都是推測性的幻想，通常受到科學家對大多數世界的唯一訊息的啟發：它們的質量、半徑和與恆星的距離。

但詹姆斯韋伯太空望遠鏡以令人眼花撩亂的新細節揭示系外行星（序號：10/6/21）。科學家正在使用這台於 2021 年底發射的望遠鏡來研究數百個世界的大氣層，從氣態巨行星到地球大小的岩石世界。

當系外行星繞著恆星運行時，星光會穿過行星的大氣層，並且根據存在的氣體，特定波長的光會被吸收。這會在星光光譜中留下痕跡，科學家可以利用這些痕跡找出光線經過了哪些化學物質。詹姆斯韋伯太空望遠鏡對紅外線波長敏感，這些痕跡最強，並且已經在其他星球上檢測到了水、二氧化碳、甲烷等。

德國海德堡馬克斯普朗克天文研究所的勞拉克雷德伯格 (Laura Kreidberg) 表示，鑑於這些發現，她經常被問到一個問題，特別是關於 JWST 可能揭示的內容。

「發現外星生命的特徵讓人非常興奮，」她說。 “我也對此感到興奮。”但是，她補充道，科學家在能夠自信地探測其他星球上的生命之前，還有很多關於行星的知識需要了解。由於技術限制，望遠鏡的觀測範圍將主要局限於非常熱、非常大或兩者兼而有之的系外行星——而不是被認為適合生命存在的條件。

我們今天對系外行星的了解大部分來自太陽系中的八顆行星。詹姆斯韋伯太空望遠鏡計畫的 10 年壽命可以揭示很多東西，也許可以回答一些基本問題，包括系外行星是由什麼構成的，它們是如何形成的以及我們的太陽係是否是我們銀河系附近的一個奇怪的東西（序號：2018 年 5 月 11 日）。

以下是科學家希望透過 JWST 解決的五個行星難題。

為什麼有些岩石行星有大氣層而有些則沒有？

如果一顆岩石行星想要孕育生命，它就需要大氣層。但科學家們仍然不確定是什麼決定了岩石體是否能夠保持氣態外殼。

天文學家正在尋找他們所謂的“宇宙海岸線”，這是一條分隔有大氣層和沒有大氣層的世界的概念分界線。 2017年，科學家在太陽系內確定了這樣一條海岸線，該海岸線是由行星或月球從太陽接收的輻射量與世界表面重力強度之間的平衡確定的。陽光為氣體粒子提供逃離高層大氣所需的能量，而重力則將大氣中的氣體固定在地球上。

為了測試這種類型的宇宙海岸線是否存在於整個銀河系中，科學家需要弄清楚哪些系外行星有大氣層，哪些沒有。這個問題聽起來可能非常基本，但多虧了 JWST，現在才有可能回答這個問題。

加州帕薩迪納美國太空總署噴射推進實驗室的天文學家胡仁宇表示，他和同事已經解決了 55 Cancri e 的大氣層問題，這顆行星圍繞著距離地球約 40 光年的類日恆星運行(SN: 11/18/07)。55 Cancri e是一個超級地球，比地球大一點，但比海王星小很多（序號：2015 年 5 月 11 日）。 5 月 8 日刊登於《自然，胡和同事提供的 JWST 數據表明55 巨蟹座有氣氛一氧化碳、二氧化碳或兩者與氮氣的混合物。這是首次探測到覆蓋類地行星或岩石系外行星的大氣層。

但科學家對 JWST 觀測到的其他岩石世界（特別是那些繞著 M 矮星運行的岩石世界）是否存在大氣層持悲觀態度。這些小而昏暗的恆星是 JWST 最容易看到的。與我們的太陽這樣的恆星相比，它們也更容易噴出破壞大氣層的輻射。因此，一些科學家懷疑這些恆星周圍的岩石行星能否維持大氣層。

根據 JWST 對 LHS 3844b（一顆圍繞著這樣一顆恆星運行的超級地球）的觀測，這顆行星幾乎可以肯定是一塊裸露的岩石。 《JWST》對圍繞 M 矮星 TRAPPIST-1 運行的行星 TRAPPIST-1b 和 TRAPPIST-1c 的觀測顯示：這些行星也是光禿禿的(序號：23/3/27）。但巴黎天文台的天文學家艾爾莎·杜克羅特表示，它們也有可能擁有非常稀薄的大氣層。與 JWST 的後續合作將有助於解決這個問題。

隨著科學家利用 JWST 來識別更多有或沒有大氣層的岩石行星的例子，我們對宇宙海岸線的理解可以受到考驗。

「我的一些同事非常希望那裡有一種氣氛。如果它不存在，他們就會傷心欲絕，」克雷德伯格說。 “但對我來說，如果我們知道一顆行星沒有大氣層，我們就已經了解了很多。”

系外行星地質學是什麼樣的？

發現沒有大氣層的系外行星也將使天文學家能夠研究在 JWST 之前不可能直接探測的東西：系外行星地質學。

「我對此感到非常興奮，」克雷德伯格說。 “當然，我想看看氣氛。但我認為你也可以從表面學到很多東西。

Kreidberg 和她的團隊計劃利用 JWST 來尋找由岩石、無空氣的超級地球 LHS 3844b 投射的紅外光中特定岩石的化學指紋。了解地球表面的組成將是了解地球地質歷史和正在進行的過程的有力線索。

尋找花崗岩的跡象會特別有趣。花崗岩是地球上常見的岩石，由回收和重熔的岩石形成。在地球上，這個過程部分取決於板塊構造。但在地球之外，花崗岩似乎極為罕見——可能是因為板塊構造也是如此。目前還沒有更多證據證明其他星球上的板塊構造比外星生命還要多。在系外行星上尋找花崗岩狀岩石將是一項重大發現。

天文學家也正在尋找太陽系中更常見的岩石的跡象。例如，覆蓋著黑色玄武岩的表面暗示火山過程。與地函中的岩石更相似的岩石，例如橄欖岩，可能指向最近凍結的岩漿海洋或奇異的高溫火山活動。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡甚至可能揭示系外行星表面岩石的紋理。

在我們的太陽系中，太陽輻射會磨損沒有大氣層的世界上的岩石。結果是一種稱為風化層的易碎物質，形成了參差不齊、粗糙的行星表面。 Kreidberg 和同事計劃透過測量 LHS 3844b 繞恆星運行時亮度的變化來尋找 LHS 3844b 上的風化層。與粗糙的表面相比，光滑的表面應該反射較少的以淺角度射入的陽光。光滑度可能暗示著火山作用等過程，用新的岩石刷新了表面。或者天文學家可能會發現，來自行星 M 矮星的輻射不會像太陽輻射那樣影響行星。

岩石系外行星是由什麼組成的？

雖然 JWST 將幫助天文學家了解系外行星的表面，但由於有一個特別極端的類地世界，它也可能讓人們一睹系外行星的地質內部情況。

熔岩世界比燒焦的水星更熱，其軌道距離恆星如此之近，以至於它們的年份最好以小時而不是天或月來衡量。這種接近導致行星被潮汐鎖定，這意味著行星的同一面始終面向太陽。結果，一個半球在無盡的黑夜中凍結，而另一個半球的岩石表面則融化成熔岩。

熔岩行星日側的岩漿海洋幾乎是天文學家希望找到的進入行星內部的窗口。從岩漿中逸出的氣體可能為了解地球深層內部的成分提供線索。了解行星是由什麼組成的，可以告訴天文學家很多關於這些天體是如何形成的，以及它們的成分和歷史是否與我們太陽系中岩石行星的形成方式相似或不同。

「熔岩行星是行星形成的一個特例。通常，一些最極端的案例最能說明問題。

Lisa Dang，系外行星科學家

「你可能會進行非常深入的探測——我認為即使在地球上也很難做到這一點，」蒙特利爾大學的系外行星科學家 Lisa Đặng 說，她利用 JWST 研究這些熾熱的行星。

因為熔岩行星應該要有岩漿海洋，所以它們應該有大氣層；即使隨著時間的推移，部分大氣消失，岩漿釋放的氣體也會不斷補充。科學家尚未檢測到此類氣體的氣味。但丁正在努力。她正在觀測熔岩世界 K2-141b，這是一顆距離 200 光年的超級地球，繞著一顆 K 型恆星（也稱為橙矮星）運行。

「熔岩行星是行星形成的一個特例。通常，一些最極端的案例最能說明問題。

亞海王星是我們銀河系中最常見的行星。這些是什麼？

雖然我們對地球、水星和火星的了解可以幫助天文學家想像外星岩石行星是什麼樣子，但我們銀河系中最常見的行星類型在我們的太陽系中是找不到的。亞海王星，之所以如此命名，是因為行星的半徑只比海王星小一點，似乎無所不在，科學家們觀察到（序號：9/8/11）。但科學家對這些世界仍然知之甚少。例如，它們是氣態巨行星、岩石行星還是其他什麼東西？

「從統計數據來看，它們似乎非常常見，」西雅圖華盛頓大學的系外行星科學家約書亞·克里桑森-托頓說。 “我們也真的不知道它們是由什麼製成的。”

僅根據它們的質量和半徑，亞海王星可能是富含氨、甲烷和水的微型冰巨星，就像海王星和天王星一樣。但同樣的數據可以描述結構截然不同的行星，例如包裹氫和氦的岩石核心，或者充滿異國風情的水世界主要由不同形式的水組成，不一定是液體（序號：7/6/20）。

科學家計劃利用 JWST 研究海王星以下的大氣層，以區分這些可能性。JWST 對亞海王星 K2-18b 的觀測去年，研究人員在其大氣中檢測到二氧化碳和甲烷，但沒有發現氨（氣體行星的預期成分）後，它成為了頭條新聞。研究團隊將這種氣體混合物解釋為水世界的證據，因為氨很容易溶解在水中，如果存在的話，就會被困在海洋中。但包括克里斯桑森-托頓在內的其他研究人員認為，相同的數據可能適合類似海王星的成分，其岩石核心上有厚厚的氣體包層。確切的答案需要後續觀察。

如果海王星下的行星被證明是氣體環繞的岩石，那麼這個結論可以解釋關於我們銀河系中行星類型多樣性的另一個謎團。

當天文學家審視行星大小範圍時，發現半徑介於地球和海王星之間的行星數量下降。有許多比海王星小的亞海王星和許多比地球更大的超級地球，但介於兩者之間的行星很少。

哈佛大學的天文物理學家科林·切魯比姆說，對這個半徑谷的一種可能的解釋是，超級地球和亞海王星實際上是相同類型的行星，只是在它們生命週期的不同階段被發現。

超級地球可能只是失去了富含氫的大氣層的亞海王星剩下的岩石核心。這個過程將大大縮小行星的半徑。如果這是真的，科學家可能會在地球上將幼年動物誤認為新物種。

為了探索這種可能性，Kreidberg 和同事正在使用 JWST 研究一顆名為 WASP-47e 的行星的大氣層，該行星恰好位於半徑谷的中間。他們想確定這顆行星是由什麼組成的，以及它是否正在失去大氣層。

氣體行星是如何形成的？

儘管我們的太陽系中有四個氣態巨行星，但科學家們仍然不確定這些巨大的世界是如何形成和演化的——以及我們的四個是否是奇怪的。

「本質上，這是三個問題：氣態行星是如何形成的？它們如何進化？它們是由什麼製成的？蘇黎世大學研究氣體巨行星的行星科學家拉維特‧海勒德說。這些是「我們尚未解答的行星科學的基本問題」。

特別是，科學家想知道氣態巨行星是否在我們發現它們的地方形成，或者是否是在我們發現它們的地方形成的。傾向於隨著時間的推移而徘徊，就像他們在我們的太陽系中所做的那樣（序號：2016 年 3 月 15 日）。行星可能會由於與其他物體的引力相互作用而漂移，這些物體包括圍繞年輕恆星運行並為行星提供原材料的氣體和塵埃盤。氣體行星遷移可能造成引力破壞，將其他行星撞出軌道，並繞著彗星和小行星等小天體拋擲。由此產生的混亂可能會對較小世界的穩定性和潛在的宜居性產生嚴重影響。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡可以為天文學家提供解開這個謎團的重要線索——氣態巨行星大氣層的組成。氣態巨行星大氣中比氫和氦重的元素的豐度應該取決於行星相對於恆星的形成位置。一般來說，大氣中的元素越重，行星形成的距離就越遠。觀察足夠多的氣態巨行星來開始識別趨勢——以及與趨勢相反的行星——可以揭示控制這些行星如何形成和遷移的一般規則。

科學家也想知道溫暖的氣態巨行星是否與冷氣態巨行星的形成方式相同。詹姆斯韋伯太空望遠鏡主要局限於觀測靠近恆星的行星，因此它可以觀測到的氣態行星比木星、土星、天王星和海王星要容易得多。目前還不清楚這些溫度較高的行星是否只是太陽系中氣態巨行星的更熱版本，或者它們是否屬於不同的類別。

我們有理由希望其中一些問題可能很快就會解決。由於氣態巨行星是如此之大，因此它們比小型岩石行星更容易研究。海爾德說，借助 JWST，天文學家很快就能描述足夠多氣態巨行星的大氣特徵，從而擁有統計能力來檢驗有關其形成、成分和演化的假設。

「關鍵是我們將擁有大量的行星，」赫勒德說。 「在 JWST 之前，它只是少數物體。但一旦我們有了更多數據並且測量結果準確，我們就可以開始了解統計數據的趨勢。這就是 JWST 的力量。