系外行星是太阳系外宇宙中所有行星的名称，对系外行星的研究是一个相当新的领域。像堪萨斯大学系外行星实验室（ExoLab）的研究人员一样，系外行星研究人员主要利用哈勃太空望远镜和韦伯太空望远镜等太空望远镜的数据进行研究。每当新闻头条提供"类地"行星或有可能支持人类的行星的发现时，他们谈论的都是我们银河系内的系外行星。
这是艺术家绘制的系外行星GJ 9827d的概念图，这是在大气层中探测到水蒸气的最小的系外行星。这颗行星可能是银河系其他地方潜在的富含水大气的行星的一个例子。这颗行星的直径只有地球的两倍，围绕红矮星GJ 9827运行。左侧是该星系的两颗内行星。图中的背景恒星是在没有辅助的情况下，用肉眼回望太阳时看到的。太阳太暗，无法看到。资料来源：NASA、ESA、Leah Hustak（STScI）、Ralf Crawford（STScI）
堪萨斯大学ExoLab实验室的博士候选人乔纳森-布兰德（Jonathan Brande）刚刚在开放获取的科学杂志《天体物理学期刊通讯》（TheAstrophysical Journal Letters）上发表了研究成果，展示了15颗类似海王星的系外行星的新大气细节。虽然没有一颗系外行星可以支持繁衍智慧生物，但更好地了解它们的行为可能有助于我们理解为什么我们没有一颗小海王星，而大多数太阳系似乎都有一颗这样的行星。
布兰德说："在堪萨斯大学的过去几年里，我的工作重点是通过一种被称为透射光谱学的技术研究系外行星的大气层。当行星过境时，也就是在我们的视线和它所环绕的恒星之间移动时，恒星发出的光会穿过行星的大气层，被其中的各种气体吸收。通过捕捉恒星的光谱--将光线通过一种叫做摄谱仪的仪器（类似于将光线通过棱镜）--我们可以观测到彩虹，测量不同组成颜色的亮度。光谱中亮度或暗度不同的区域揭示了行星大气中吸收光线的气体"。
利用这种方法，布兰德几年前发表了一篇关于"温暖的海王星"系外行星TOI-674 b的论文，他在论文中提出的观测结果表明其大气中存在水蒸气。这些观测是布兰德的导师、昆士兰大学物理与天文学副教授伊恩-克罗斯菲尔德（Ian Crossfield）领导的一项更广泛计划的一部分，该计划旨在观测海王星大小的系外行星的大气层。
布兰德说："我们希望了解这些行星的行为，因为比地球稍大、比海王星小的行星是银河系中最常见的。"
最近发表的这篇 ApJL 论文总结了该计划的观测结果，并纳入了其他观测数据，以解决为什么有些行星看起来是浑浊的，而另一些行星则是透明的。布兰德和他的合著者特别注意到系外行星大气层中容易形成云层或雾霾的区域。昆士兰大学的研究人员说，当大气中存在这种气溶胶时，雾霾会阻挡透过大气层的光线。
如果一颗行星的表面正上方有云层，云层上方有数百公里的透明空气，那么星光就可以很容易地穿过透明空气，只被大气层那部分的特定气体吸收。然而，如果云的位置非常高，云通常在整个电磁频谱中都是不透明的。虽然云雾具有光谱特征，但对于天文学家的工作来说，他们用哈勃聚焦于一个相对较窄的范围，也会产生大部分平坦的光谱。当这些气溶胶出现在大气层的高处时，光线就没有了清晰的过滤路径。
布兰德说："利用哈勃，我们最敏感的单一气体就是水蒸气。如果我们在行星的大气层中观测到水蒸气，这就很好地说明没有高到足以阻挡其吸收的云层。反之，如果没有观测到水蒸气，只看到一个平坦的光谱，尽管知道该行星应该有一个扩展的大气层，这表明在更高的高度可能存在云层或雾霾。"
布兰德领导一个国际天文学家团队完成了这篇论文，其中包括昆明理工大学的克罗斯菲尔德和来自德国海德堡马克斯-普朗克研究所的合作者、劳拉-克赖德伯格领导的团队，以及卡罗琳-莫利领导的德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员。
布兰德和他的合著者的分析方法与以往的分析方法不同，他们侧重于确定小海王星大气的物理参数。与此相反，以前的分析通常是将单一的模型光谱与观测数据进行拟合。
通常情况下，研究人员会使用一个预先计算出含水量的大气模型，对其进行缩放和移动，使其与样本中观测到的行星相匹配。这种方法能显示光谱是清晰还是混浊，但无法提供有关大气中水蒸气含量或云层位置的信息。相反，布兰德采用了一种被称为"大气检索"的技术。
他说："这涉及对水蒸气数量和云层位置等各种行星参数进行大气建模，通过成百上千次模拟迭代以找到最佳拟合配置。我们的检索为每颗行星提供了一个最佳拟合模型光谱，并据此计算出该行星的浑浊度或清晰度。然后，我们将测得的清晰度与卡罗琳-莫利（Caroline Morley）的一套单独模型进行了比较，结果显示我们的结果符合对类似行星的预期。在研究云和雾霾的行为时，我们的模型显示云比雾霾更适合。沉积效率参数反映了云的紧密程度，它表明观测到的行星沉积效率相对较低，从而产生了蓬松的云。这些云由水滴等微粒组成，由于沉降趋势较低，所以一直漂浮在大气层中"。
布兰德的研究结果让人们对这些行星大气层的行为有了更深入的了解，当他在美国天文学会最近的一次会议上介绍这些研究结果时，引起了"极大的兴趣"。
此外，布兰德还是克罗斯菲尔德领导的国际观测计划的一部分，该计划刚刚宣布在GJ 9827d上发现了水蒸气--这是一颗距离地球97光年的行星，位于双鱼座，温度与金星相当。
哈勃太空望远镜的观测结果表明，这颗行星可能只是银河系中富含水的行星的一个例子。这些结果是由蒙特利尔大学特罗蒂埃系外行星研究所的皮埃尔-亚历克西斯-罗伊领导的研究小组宣布的。
布兰德说："我们正在海王星以下类型行星的大气层中寻找水蒸气。皮埃尔-亚历克西斯的论文是这项主要工作的最新成果，因为我们花了大约 10 或 11 个轨道或行星凌日才探测到水蒸气。皮埃尔-亚历克西斯的光谱作为我们的趋势数据点之一进入了我们的论文，我们将他们提案中的所有行星和文献中研究的其他行星都纳入其中，使我们的结果更加有力。在两篇论文的撰写过程中，我们一直与他们保持着密切的沟通，以确保我们使用了正确的最新结果，并准确地反映了他们的研究成果。"
编译自:ScitechDaily