在探索宇宙中其他宜居世界的征程中，系外行星的大气条件无疑是决定其表面能否存在液态水的关键因素。通常，这些潜在的生命摇篮位于所谓的“金发区”——一个距离其主星不远不近，恰好能够维持液态水的理想轨道。随着詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的投入使用，天文学家们能够获取前所未有的系外行星大气观测数据，这对于筛选出值得深入研究的宜居候选行星至关重要。
近期发表在《天体物理学杂志快报》上的一篇开放获取论文，详细阐述了天文学家如何利用JWST对位于TRAPPIST-1系统中的系外行星TRAPPIST-1e的大气层进行深入分析。尽管目前尚未能提供其大气组成的确凿证据，甚至无法完全确认其是否存在大气，但研究团队已成功排除了数种可能性，这本身就是一项重大突破。
麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）及卡夫利天体物理与空间研究所的博士后、该论文的第一作者Ana Glidden阐述了他们的研究思路：“我们的核心假设是：如果这颗行星并非完全没有大气，我们能否以此为前提，对不同的行星大气情景进行限制？这些情景是否仍然允许液态水在其表面存在？”令人振奋的是，他们得出的答案是肯定的。
最新的观测数据明确排除了TRAPPIST-1e拥有富氢大气的可能。同时，它对其他通过次生过程（如火山喷发和行星内部脱气）形成的大气条件施加了更严格的限制。值得注意的是，这些数据与行星表面存在海洋的可能性仍然保持一致。
麻省理工学院行星科学1941届教授、该研究的合著者Sara Seager指出：“TRAPPIST-1e依然是我们最引人注目的宜居带行星之一，这些新结果让我们更接近了解它是一个怎样的世界。排除类金星和类火星大气的证据，使我们能够更聚焦于仍在考虑范围内的情景。”
这项研究的共同作者还包括来自亚利桑那大学、约翰霍普金斯大学、密歇根大学、空间望远镜科学研究所的合作者，以及JWST-TST DREAMS团队的成员。
观测技术的改进与挑战
系外行星大气的研究主要依赖于一种名为透射光谱学的技术。当行星从其主星前方经过时，星光会穿过行星的大气层。天文学家通过观察不同波长下星光的变化，可以推断出大气中可能存在的分子。Glidden解释道：“每种分子都有其独特的谱线指纹。通过将观测结果与这些指纹进行比对，你就能辨别出可能存在的分子。”
相较于其前身哈勃空间望远镜，JWST拥有更宽的波长覆盖范围和更高的光谱分辨率。这使得它能够观测到在太阳系内常见，如二氧化碳和甲烷等分子。然而，观测技术的进步也凸显了恒星污染的复杂性。主星温度的变化，例如由黑子和耀斑引起，会使得数据解读变得异常困难。Glidden指出：“恒星活动严重干扰了对数据进行行星级解释的过程，因为我们只能通过星光来观测潜在的大气层。如何将来自恒星的信号与来自行星本身的信号区分开来，是一个巨大的挑战。”
大气条件的筛选与排除
为了有效地减弱恒星活动的影响，研究团队采用了一种创新方法。Glidden解释说：“我们的策略是：任何在不同观测周期中表现出变化的信号，很可能来源于恒星；而那些在各次观测中保持一致的信号，则极有可能源自行星本身。”通过这种方法，他们成功地将恒星的干扰信号从行星的潜在特征中剥离出来。
随后，研究人员将这些经过处理的观测结果与多种可能的大气情景进行了对比分析。他们发现，富含二氧化碳的大气，如火星和金星所拥有的，在TRAPPIST-1e上存在的可能性微乎其微。然而，一种类似土卫六（土星的卫星泰坦）的温暖且富含氮气的大气层，仍然是一种可能的选项。尽管如此，目前的证据强度尚不足以明确证明是否存在任何大气，更不用说探测到特定类型的气体了。目前，进一步的观测计划正在积极进行中，这些未来的数据将有助于我们进一步缩小可能性范围。
Glidden总结道：“通过我们初期的观测，已经充分展示了JWST所带来的巨大优势。我们后续的观测项目将帮助我们进一步完善对TRAPPIST-1e这颗最佳宜居带行星之一的理解。”这项研究不仅为TRAPPIST-1e的未来探索奠定了坚实基础，也为更广泛的系外行星大气特征研究提供了宝贵的经验和方法论。我们正逐步揭开这些遥远世界可能存在的生命图景，每一步都充满了对未知的好奇与探索的勇气。
