外星雾霾揭示遥远系外行星含水量的秘密

两颗拥有朦胧大气层的富含水的系外行星示意图。图片来源：Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins 大学

系外行星研究的新工具

这项研究为研究系外行星大气化学提供了新工具，并将帮助科学家模拟系外行星水的形成和演化过程，这些发现可能有助于寻找太阳系外的生命。

"最重要的问题是太阳系外是否存在生命，但要回答这样的问题，需要对所有不同类型的行星，特别是有大量水的行星，进行非常详细的建模，"合著者、约翰-霍普金斯大学地球与行星科学副教授萨拉-霍斯特（Sarah Hörst）说。"这一直是一个巨大的挑战，因为我们没有足够的实验室工作来完成这项工作，所以我们正试图利用这些新的实验室技术，从我们正在使用的所有这些大型花式望远镜获取的数据中获得更多信息。"

研究小组于11月27日在《自然-天文学》（Nature Astronomy）杂志上发表了他们的研究成果。

研究人员说，一颗行星的大气层是否含有霾或其他粒子，对全球温度、星光入射水平以及其他可能阻碍或促进生物活动的因素有着显著影响。小组在霍斯特实验室的一个专门设计的密室中进行了实验。霍斯特说，他们首次确定了太阳系外的水行星中能形成多少雾霾。

雾霾由悬浮在气体中的固体颗粒组成，它会改变光线与气体相互作用的方式。不同程度和种类的雾霾会影响粒子在大气中的传播方式，从而改变科学家用望远镜探测到的遥远行星的情况。

系外行星观测面临的挑战

"当我们试图观测一颗行星是否适合居住时，水是我们首先要寻找的东西，而且已经在系外行星大气中观测到了令人兴奋的水。但我们的实验和建模表明，这些行星很可能还含有雾霾，"约翰-霍普金斯大学领导这项研究的行星科学家何超说。"这种雾霾确实使我们的观测变得复杂，因为它遮蔽了我们对系外行星大气化学和分子特征的观察"。

科学家用望远镜研究系外行星，观察光线如何穿过大气层，发现大气气体如何吸收不同色调或波长的光线。扭曲的观测结果会导致对空气中重要物质（如水和甲烷）的含量以及大气中颗粒物的类型和水平的误判。霍斯特说，这种误读会损害科学家对全球温度、大气厚度和其他行星状况的结论。

模拟系外行星大气层

研究小组调制了两种气体混合物，其中含有水蒸气和其他假定系外行星常见的化合物。他们用紫外线照射这些混合物，模拟恒星发出的光如何引发产生雾粒的化学反应。然后，他们测量了雾霾粒子对光的吸收和反射程度，以了解它们如何与大气中的光相互作用。

与之前的研究相比，新数据更准确地匹配了一颗被研究得很透彻的系外行星 GJ 1214 b 的化学特征，证明了不同光学性质的雾霾会导致对行星大气层的误读。

未来研究方向

外星大气可能与太阳系的大气截然不同，Hörst 补充说，目前已确认的系外行星有 5000 多颗，它们的大气化学成分各不相同。

研究小组目前正在努力创造更多实验室制造的雾霾"类似物"，其气体混合物能更准确地反映他们在望远镜中看到的情况。

霍斯特说："人们在对这些大气层进行建模时，将能够利用这些数据来了解大气层和行星表面的温度，是否存在云层，云层有多高，云层是由什么构成的，或者风速有多快。所有这些事情都能帮助我们真正把注意力集中在特定的行星上，使我们的实验独一无二，而不是在试图了解全局时只是进行一般化的测试。"