詹姆斯韦伯太空望远镜将绘制系外行星的大气层
艺术家的描写图：一些被美国国家航天局（NASA）的开普勒计划（Kepler mission）发现的系外行星。（图片来源：NASA/JPL-Caltech）
系外行星在距离地球非常遥远的地方围绕着非太阳的恒星运转。例如，离地球最近的系外行星，比邻星b（Proxima Centauri b）距离地球4.2光年，或光在太阳与地球间反复行走了26.5万次。
对肉眼而言，太阳系中的行星皆以明亮的光点显现。但如果使用望远镜，光点将从绚丽的星空抽离出来并显现自己的结构。类似的情形有： 木星的大红斑、土星的星环和火星的冰层。
虽然上述现象在系外行星有出现的可能，和地球的距离阻挡了人类直接解析它们的表层。不论如何，有方法学习更多关于系外行星的大气层并绘制它们。
“我是一名在蒙特利尔大学（University of Montreal）学习天体物理学的哲学博士。我的工作与描述系外行星大气层的特性相关。更具体地说，我的研究专注于推进绘制系外行星的设备，用于詹姆斯韦伯太空望远镜的天文台工作。”
在2021年12月25日发射的望远镜，被期望能掀起系外行星科学领域的改革。
探测与描绘系外行星
除了少数特殊情况，可以直接观察到来自行星的光，大多数系外行星都是使用间接方法检测到的。 间接方法包括观察行星的存在对其恒星发出的光的影响。
凌星法在系外行星探测中最为常见。 从我们的角度来看，当一颗系外行星从它的宿主星前面经过时，就会发生凌星。 在凌星期间，来自恒星的光会减少，因为恒星的表面被行星部分遮挡。
光被分成对应于不同颜色的波长光谱。 当在几个波长上观察到凌星时，就有可能测量系外行星的大气成分。 例如，水分子充分吸收红外线波长的光，使行星看起来更大，因为它的大气层阻挡了来自恒星的大部分光。 以类似的方式，也可以测量大气温度并检测云的存在。
此外，凌星行星也可以从它的恒星后面经过。 这种只观察到来自恒星的光的现象被称为次食。 通过观察这一点，可能可以分离出仅来自行星的光，从而获得有关其大气层的额外信息。
凌星法对云的存在更敏感，而次食法则提供更多关于大气层温度的信息。
一般来说，我们在分析系外行星的大气层时认为其是一维物体。 也就是说，它的成分和温度被认为只随海拔而变化，而不随其在经度和纬度上的位置而变化。 同时考虑这三个维度需要复杂的模型以及高度的观测精度。 但是，仅考虑高度可能会产生无效的近似值。 例如，在地球上，赤道的温度远高于两极。
一些系外行星的大气层也有很强的空间变化。 热木星的大小与木星相似，它们的轨道非常靠近它们的宿主星，因此可以达到几千摄氏度的温度。
此外，这些行星通常以与它们围绕恒星相同的速度围绕自身旋转。 这意味着在这些行星上，一天和一年的长度相同。 就像我们只能从地球上看到月球的一侧一样，热类木星也只有一侧始终面对着它的恒星。 这种现象会导致被恒星照亮的白天和永远处于黑暗中的夜晚之间存在很大的温差。
绘制方法
虽然不可能直接观察系外行星的表面，但可以使用两种方法测量大气层的空间变化：相位曲线分析和二次日食映射。
相位曲线是来自恒星-行星系统的光在旋转期间的变化。 由于这颗行星在其轨道上自转，因此我们可以依次看到其大气层的不同部分。 从这个信号中，可以绘制出行星在经度上发出的光的强度。 在热类木星的情况下，其白天通常较热，来自行星的最大光量在次日食附近。 类似地，曲线的最小值在凌星附近，因为那时观察到的是夜间。
在二次日食映射中，系外行星的白天侧得到了解决。 从我们的角度来看，当这颗行星从其恒星后面进出时，它的某些部分被隐藏起来，使我们能够隔离其大气中给定部分发出的光。 通过测量每个单独部分发出的光量，就可以根据经度和纬度绘制大气层的白天侧。
詹姆斯韦伯太空望远镜的到达
迄今为止，相位曲线分析已经借助太空望远镜应用于几个行星的勘测，包括哈勃、开普勒和苔丝太空望远镜。 通过斯皮策太空望远镜的观测，二次日食映射仅应用于一颗系外行星热木星 HD189733 b的勘测。 然而，这些观测通常是在单一波长下进行的，并且不能提供这些系外行星中大气层运转过程的完整画面。
与哈勃的 2.4 米镜子相比，韦伯望远镜拥有 6.5 米的镜子，将在广泛的波长范围内提供前所未有的精确观测。 包括加拿大的 NIRISS（近红外成像仪和无狭缝光谱仪）在内的四种仪器将在红外范围内观察并表征大量系外行星的大气层。
借助韦伯望远镜，我们可以应用可用的测绘方法来测量系外行星大气层的三维变化。 这些测量将使我们加深对大气层运转过程的了解。
随着技术和仪器的不断进步，未来甚至有可能绘制出类地球系外行星的地图。
BY： Louis-Philippe Coulombe
FY：Astronomical volunteer team
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