2021年，美国宇航局的下一代天文台——詹姆斯·韦伯的0+望远镜(JWST)也将进入0+轨道。一旦投入运行，这个史诗般的任务将接替其他望远镜，如哈勃、开普勒和斯皮策，成为地球的另一只“眼睛”。这意味着，除了研究宇宙中一些最大的奥秘，它还将寻找可能适合居住的系外行星，并试图确定它们的大气特征。

詹姆斯·韦伯空望远镜(JWST)

这是JWST不同于其前身的部分原因。凭借其高灵敏度和红外成像能力，它将能够以前所未有的方式收集太阳系外大气的数据。然而，美国国家航空航天局最近支持的一项研究表明，大气稠密的行星也可能有大范围的云层覆盖，但是韦伯的空望远镜可以克服这一挑战。

多年来，天文学家一直在使用过渡光度学。中天法通过监测遥远恒星的亮度变化来探测系外行星。这种方法在确定某些行星的大气成分方面也证明是有用的。当这些天体从它们的恒星前面经过时，光线会穿过它们的大气层，然后分析大气层的光谱，看看有什么化学元素。

到目前为止，这种方法在观测绕太阳运行很远的大质量行星(气态巨行星和“超级木星”)方面很有用。然而，观察轨道更靠近太阳的较小岩石行星(即“类地行星”)使它们处于恒星的可居住区内，这超出了太空望远镜的能力。

宜居星球:生命的关键

由于这个原因，天文学家一直期待着像JWST这样的下一代望远镜的出现。通过探测岩石行星的大气光谱(一种称为透射光谱的方法)，科学家将能够寻找氧气、二氧化碳、甲烷和其他与生命相关的信号(即生命的迹象)。

生命的另一个关键元素是水，因此行星大气中水蒸气的特性将是未来研究的主要目标。但是在芝加哥大学地球物理科学系的博士后研究员萨德乌斯·科马克领导的一项新研究中，任何有大量地表水的行星的大气中也可能有大量的云，这些云实际上是浓缩的冰粒。

在这项研究中，马塞克和他的同事研究了这些云是否会干扰对像地球这样的系外行星大气中水蒸气的探测。近年来，在M型(红矮星)恒星的可居住区(如比邻星b)发现了大量的岩石系外行星，因此附近的红矮星将是未来研究的重点。

围绕红矮星运行的潮汐锁定行星非常适合研究透射光谱——原因如下:

与围绕类似太阳的恒星运行的行星相比，围绕红矮星运行的过境行星是更有利的目标，因为行星大小与恒星大小之比更大。发射信号的大小等于行星大小与恒星大小之比的平方，因此比地球小的恒星接收到的信号将显著增强。

考虑到这一点，科马克和他的团队使用了两个模型来生成围绕M型恒星的潮汐锁定行星的合成透射光谱。第一个是由科罗拉多大气大学和空物理实验室(LASP)的埃里克·沃尔夫博士开发的ExoCAM。LASP是一个用来模拟地球气候的社区地球系统模型(CESM)，它已被应用于研究系外行星的大气。

模拟研究的结果

利用ExoCAM模型，他们模拟了红矮星周围岩石行星的气候。其次，他们使用美国宇航局戈达德空飞行中心开发的行星光谱发生器来模拟JWST从模拟行星上探测到的发射光谱。正如科马克解释的那样:

ExoCAM模拟计算了温度、水汽混合比、液态水和冰水云粒子的三维分布。我们发现红矮星周围的行星比地球上的行星更加浑浊。这是因为它们全天的天气与地球的热带地区相似，所以水蒸气很容易上升到低压，在那里它可以凝结并形成云，覆盖地球一天的大部分时间。该研究给出了行星在传输过程中的表观尺寸和波长之间的函数关系以及不确定性的结果。通过观察信号大小如何随波长变化，我们可以确定水蒸气特征的大小，并将其与不确定性进行比较。

在这两个模型之间，团队能够模拟有和没有云层覆盖的行星，以及JWST能够探测到的结果。在前一种情况下，他们发现外行星大气中的水蒸气几乎可以被探测到。他们还发现，对于地球大小的系外行星，只需要10次或更少的凌日。

科马切克说:“当我们考虑到云层的影响时，JWST探测水汽所需的过境次数增加了10到100倍。对于一颗给定的行星，JWST可以观测到多少次凌日是有自然限制的，因为JWST的名义任务寿命是5年，而传输观测只能在行星经过我们和它的主星之间时进行。”

他们还发现，云层对围绕红矮星缓慢旋转的行星的影响尤其强烈。基本上，处于公转周期超过12天的行星会在其太阳表面经历更多的云形成。对于像TRAPPIST-1(已知最有利的目标)这样的行星，JWST将无法观测到足够的凌日来探测水蒸气。

事实上，这些结果与其他研究者注意到的相似。去年，美国国家航空航天局戈达德太空中心的研究人员进行了一项研究，研究表明云层会使水蒸气在特拉普斯特1号行星的大气层中无法被探测到。本月早些时候，另一项由美国国家航空航天局资助的研究表明，云层如何能够降低水蒸气的振幅，达到JWST将水蒸气作为背景噪音消除的程度。

然而，本研究确实就如何克服这些局限性提出了一些建议。例如，如果任务时间是一个因素，JWST任务可以延长，以便科学家有更多的时间收集数据。美国国家航空航天局(美国航天局)希望该望远镜能使用10年。已经有可能扩大其使命。同时，降低检测的信噪比阈值可以从频谱中选择更多的信号。此外，科马克和他的同事肯定会指出，这些结果仅适用于系外行星云以下的特征:

“因为水蒸气大部分被困在水云之下，围绕红矮星运行的行星上的强大云层使得探测水蒸气特性变得非常困难。重要的是，JWST预计能够限制二氧化碳和甲烷等关键大气成分的存在，只需十几次穿越。”

这些结果再次得到先前研究的支持。去年，华盛顿大学的一项研究调查了TRAPPIST-1行星的探测能力和特征，发现云是不太可能产生重大影响的探测能力，氧和臭氧特征是两个关键的生物特征，也是生命的存在。

因此，JWST可能只有在探测系外行星大气中的水蒸气时才有困难，至少在涉及到稠密的云层时。对于其他生物特征，JWST应该能够很容易地找到它们，不管它们是不是云。韦伯是美国宇航局迄今为止最强大、最复杂的望远镜——Tai0+望远镜。一切将从明年开始！