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韋伯太空望遠鏡將繪制系外行星的大氣層，那會是什麼樣？值得期待

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2022年7月17日 -
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詹姆斯韋伯太空望遠鏡將繪制系外行星的大氣層
藝術家的描寫圖：一些被美國國家航天局（NASA）的開普勒計劃（Kepler mission）發現的系外行星。 （圖片來源：NASA/JPL-Caltech）
系外行星在距離地球非常遙遠的地方圍繞著非太陽的恒星運轉。 例如，離地球最近的系外行星，比鄰星b（Proxima Centauri b）距離地球4.2光年，或光在太陽與地球間反複行走了26.5萬次。 
對肉眼而言，太陽系中的行星皆以明亮的光點顯現。 但如果使用望遠鏡，光點將從絢麗的星空抽離出來並顯現自己的結構。 類似的情形有： 木星的大紅斑、土星的星環和火星的冰層。 
雖然上述現象在系外行星有出現的可能，和地球的距離阻擋了人類直接解析它們的表層。 不論如何，有方法學習更多關於系外行星的大氣層並繪制它們。 
“我是一名在蒙特利爾大學（University of Montreal）學習天體物理學的哲學博士。 我的工作與描述系外行星大氣層的特性相關。 更具體地說，我的研究專注於推進繪制系外行星的設備，用於詹姆斯韋伯太空望遠鏡的天文台工作。 ”
在2021年12月25日發射的望遠鏡，被期望能掀起系外行星科學領域的改革。 
探測與描繪系外行星
除了少數特殊情況，可以直接觀察到來自行星的光，大多數系外行星都是使用間接方法檢測到的。 間接方法包括觀察行星的存在對其恒星發出的光的影響。 
淩星法在系外行星探測中最為常見。 從我們的角度來看，當一顆系外行星從它的宿主星前面經過時，就會發生淩星。 在淩星期間，來自恒星的光會減少，因為恒星的表面被行星部分遮擋。 
光被分成對應於不同顏色的波長光譜。 當在幾個波長上觀察到淩星時，就有可能測量系外行星的大氣成分。 例如，水分子充分吸收紅外線波長的光，使行星看起來更大，因為它的大氣層阻擋了來自恒星的大部分光。 以類似的方式，也可以測量大氣溫度並檢測雲的存在。 
此外，淩星行星也可以從它的恒星後面經過。 這種只觀察到來自恒星的光的現象被稱為次食。 通過觀察這一點，可能可以分離出僅來自行星的光，從而獲得有關其大氣層的額外信息。 
淩星法對雲的存在更敏感，而次食法則提供更多關於大氣層溫度的信息。 
一般來說，我們在分析系外行星的大氣層時認為其是一維物體。 也就是說，它的成分和溫度被認為只隨海拔而變化，而不隨其在經度和緯度上的位置而變化。 同時考慮這三個維度需要複雜的模型以及高度的觀測精度。 但是，僅考慮高度可能會產生無效的近似值。 例如，在地球上，赤道的溫度遠高於兩極。 
一些系外行星的大氣層也有很強的空間變化。 熱木星的大小與木星相似，它們的軌道非常靠近它們的宿主星，因此可以達到幾千攝氏度的溫度。 
此外，這些行星通常以與它們圍繞恒星相同的速度圍繞自身旋轉。 這意味著在這些行星上，一天和一年的長度相同。 就像我們只能從地球上看到月球的一側一樣，熱類木星也只有一側始終面對著它的恒星。 這種現象會導致被恒星照亮的白天和永遠處於黑暗中的夜晚之間存在很大的溫差。 
繪制方法
雖然不可能直接觀察系外行星的表面，但可以使用兩種方法測量大氣層的空間變化：相位曲線分析和二次日食映射。 
相位曲線是來自恒星-行星系統的光在旋轉期間的變化。 由於這顆行星在其軌道上自轉，因此我們可以依次看到其大氣層的不同部分。 從這個信號中，可以繪制出行星在經度上發出的光的強度。 在熱類木星的情況下，其白天通常較熱，來自行星的最大光量在次日食附近。 類似地，曲線的最小值在淩星附近，因為那時觀察到的是夜間。 
在二次日食映射中，系外行星的白天側得到了解決。 從我們的角度來看，當這顆行星從其恒星後面進出時，它的某些部分被隱藏起來，使我們能夠隔離其大氣中給定部分發出的光。 通過測量每個單獨部分發出的光量，就可以根據經度和緯度繪制大氣層的白天側。 
詹姆斯韋伯太空望遠鏡的到達
迄今為止，相位曲線分析已經借助太空望遠鏡應用於幾個行星的勘測，包括哈勃、開普勒和苔絲太空望遠鏡。 通過斯皮策太空望遠鏡的觀測，二次日食映射僅應用於一顆系外行星熱木星 HD189733 b的勘測。 然而，這些觀測通常是在單一波長下進行的，並且不能提供這些系外行星中大氣層運轉過程的完整畫面。 
與哈勃的 2.4 米鏡子相比，韋伯望遠鏡擁有 6.5 米的鏡子，將在廣泛的波長範圍內提供前所未有的精確觀測。 包括加拿大的 NIRISS（近紅外成像儀和無狹縫光譜儀）在內的四種儀器將在紅外範圍內觀察並表征大量系外行星的大氣層。 
借助韋伯望遠鏡，我們可以應用可用的測繪方法來測量系外行星大氣層的三維變化。 這些測量將使我們加深對大氣層運轉過程的了解。 
隨著技術和儀器的不斷進步，未來甚至有可能繪制出類地球系外行星的地圖。 
BY： Louis-Philippe Coulombe
FY：Astronomical volunteer team
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詹姆斯韋伯太空望遠鏡將繪制系外行星的大氣層

藝術家的描寫圖：一些被美國國家航天局（NASA）的開普勒計劃（Kepler mission）發現的系外行星。（圖片來源：NASA/JPL-Caltech）

系外行星在距離地球非常遙遠的地方圍繞著非太陽的恒星運轉。例如，離地球最近的系外行星，比鄰星b（Proxima Centauri b）距離地球4.2光年，或光在太陽與地球間反複行走了26.5萬次。

對肉眼而言，太陽系中的行星皆以明亮的光點顯現。但如果使用望遠鏡，光點將從絢麗的星空抽離出來並顯現自己的結構。類似的情形有：木星的大紅斑、土星的星環和火星的冰層。

雖然上述現象在系外行星有出現的可能，和地球的距離阻擋了人類直接解析它們的表層。不論如何，有方法學習更多關於系外行星的大氣層並繪制它們。

“我是一名在蒙特利爾大學（University of Montreal）學習天體物理學的哲學博士。我的工作與描述系外行星大氣層的特性相關。更具體地說，我的研究專注於推進繪制系外行星的設備，用於詹姆斯韋伯太空望遠鏡的天文台工作。”

在2021年12月25日發射的望遠鏡，被期望能掀起系外行星科學領域的改革。

探測與描繪系外行星

除了少數特殊情況，可以直接觀察到來自行星的光，大多數系外行星都是使用間接方法檢測到的。
間接方法包括觀察行星的存在對其恒星發出的光的影響。

淩星法在系外行星探測中最為常見。
從我們的角度來看，當一顆系外行星從它的宿主星前面經過時，就會發生淩星。
在淩星期間，來自恒星的光會減少，因為恒星的表面被行星部分遮擋。

光被分成對應於不同顏色的波長光譜。
當在幾個波長上觀察到淩星時，就有可能測量系外行星的大氣成分。
例如，水分子充分吸收紅外線波長的光，使行星看起來更大，因為它的大氣層阻擋了來自恒星的大部分光。
以類似的方式，也可以測量大氣溫度並檢測雲的存在。

此外，淩星行星也可以從它的恒星後面經過。
這種只觀察到來自恒星的光的現象被稱為次食。
通過觀察這一點，可能可以分離出僅來自行星的光，從而獲得有關其大氣層的額外信息。

淩星法對雲的存在更敏感，而次食法則提供更多關於大氣層溫度的信息。

一般來說，我們在分析系外行星的大氣層時認為其是一維物體。
也就是說，它的成分和溫度被認為只隨海拔而變化，而不隨其在經度和緯度上的位置而變化。
同時考慮這三個維度需要複雜的模型以及高度的觀測精度。
但是，僅考慮高度可能會產生無效的近似值。
例如，在地球上，赤道的溫度遠高於兩極。

一些系外行星的大氣層也有很強的空間變化。
熱木星的大小與木星相似，它們的軌道非常靠近它們的宿主星，因此可以達到幾千攝氏度的溫度。

此外，這些行星通常以與它們圍繞恒星相同的速度圍繞自身旋轉。
這意味著在這些行星上，一天和一年的長度相同。
就像我們只能從地球上看到月球的一側一樣，熱類木星也只有一側始終面對著它的恒星。
這種現象會導致被恒星照亮的白天和永遠處於黑暗中的夜晚之間存在很大的溫差。

繪制方法

雖然不可能直接觀察系外行星的表面，但可以使用兩種方法測量大氣層的空間變化：相位曲線分析和二次日食映射。

相位曲線是來自恒星-行星系統的光在旋轉期間的變化。
由於這顆行星在其軌道上自轉，因此我們可以依次看到其大氣層的不同部分。
從這個信號中，可以繪制出行星在經度上發出的光的強度。
在熱類木星的情況下，其白天通常較熱，來自行星的最大光量在次日食附近。
類似地，曲線的最小值在淩星附近，因為那時觀察到的是夜間。

在二次日食映射中，系外行星的白天側得到了解決。
從我們的角度來看，當這顆行星從其恒星後面進出時，它的某些部分被隱藏起來，使我們能夠隔離其大氣中給定部分發出的光。
通過測量每個單獨部分發出的光量，就可以根據經度和緯度繪制大氣層的白天側。

詹姆斯韋伯太空望遠鏡的到達

迄今為止，相位曲線分析已經借助太空望遠鏡應用於幾個行星的勘測，包括哈勃、開普勒和苔絲太空望遠鏡。
通過斯皮策太空望遠鏡的觀測，二次日食映射僅應用於一顆系外行星熱木星 HD189733 b的勘測。
然而，這些觀測通常是在單一波長下進行的，並且不能提供這些系外行星中大氣層運轉過程的完整畫面。

與哈勃的 2.4 米鏡子相比，韋伯望遠鏡擁有 6.5 米的鏡子，將在廣泛的波長範圍內提供前所未有的精確觀測。
包括加拿大的 NIRISS（近紅外成像儀和無狹縫光譜儀）在內的四種儀器將在紅外範圍內觀察並表征大量系外行星的大氣層。

借助韋伯望遠鏡，我們可以應用可用的測繪方法來測量系外行星大氣層的三維變化。
這些測量將使我們加深對大氣層運轉過程的了解。

隨著技術和儀器的不斷進步，未來甚至有可能繪制出類地球系外行星的地圖。

BY： Louis-Philippe Coulombe

FY：Astronomical volunteer team

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