由美国宇航局戈达德太空飞行中心的玛格丽特·卡鲁泽斯拍摄
海王星下系外行星TOI-421 b和GJ 1214 b与地球和海王星大小的比较图
就半径、质量和密度而言，TOI 421 b和GJ 1214 b都位于地球和海王星之间
两颗系外行星的低密度表明它们一定有厚厚的大气层
行星按半径和质量递增的顺序从左到右排列:来自深空气候观测站的地球图像:地球是一颗岩石行星，平均半径约为6370公里，质量约为60亿公吨，密度为5
是水的5倍
TOI-421 b图解:TOI-421 b是一颗炽热的海王星外行星，半径为2
68倍于地球，质量7
地球的2倍，密度2
05倍水
GJ 1214 b的插图:GJ 1214 b是一颗温暖的海王星外行星，半径为2
地球的74倍，质量8
地球的2倍，密度2
两倍水
旅行者2号拍摄的海王星图片:海王星是一个半径为3的冰巨人
是地球的88倍(体积接近地球的58倍)，质量是地球的17倍，密度只有1
6倍水
插图显示了行星的半径比例，但没有显示它们在空间中的位置或与恒星的距离
当地球和海王星围绕太阳运行时，TOI-421 b围绕一颗大约244光年外的类太阳恒星运行，GJ 1214 b围绕一颗大约48光年外的小型红矮星运行
学分:美国航天局、欧空局、加空局和D
玩家(STScI) 在银河系中被调查的类太阳恒星系统中，有一半以上都有一种神秘的行星，与我们太阳系中的任何一个都不一样
比地球大，比海王星小，比水星绕太阳运行更靠近恒星，这些由暖到热的亚海王星是银河系中观察到的最常见的行星类型
但是，尽管研究人员已经能够测量数百颗行星的基本属性——包括大小、质量和轨道，它们的基本性质仍然不清楚
它们是致密的、类似地球的岩石和铁球，覆盖在厚厚的氢气和氦气层中吗？还是密度较低的岩石和冰的混合物，被潮湿、富含水分的大气包围？由于数据有限，而且在我们自己的太阳系中没有类似大小和轨道的行星可供比较，所以很难回答这些问题
“这些是什么行星？它们是如何形成的？为什么我们的太阳系没有它们？这些都是基本的问题，”雅各布·比恩解释说，他是芝加哥大学的天文学家，曾领导过许多次系外行星的观测
雾霾问题 弄清楚亚海王星是由什么组成以及它们是如何形成的关键是检查它们的大气层
但是获得清晰的视野并不容易
分析系外行星大气的最有效方法是一种被称为透射光谱学的技术
当行星经过恒星时，一些波长(颜色)的星光会被行星大气中的气体过滤掉
因为每种类型的气体都有一个独特的“特征”，即它吸收的一组波长，所以有可能根据透射光谱的模式找出大气是由什么组成的
根据目前的信息，显示系外行星GJ 1214 b可能是什么样子的插图
GJ 1214 b是一颗温暖的亚海王星大小的系外行星，距离地球约48光年，是银河系中研究最多的系外行星之一
先前的光谱观测表明，这颗行星被气溶胶(云或霾)所笼罩，这使得迄今为止无法确定构成其厚大气层的气体成分
学分:美国航天局、欧空局、加空局和D
玩家(STScI) 这种技术已经在许多系外行星上获得成功，但不是在大多数亚海王星上
马里兰大学帕克学院的伊莱扎·肯普顿解释说:“对亚海王星行星的大气观测很少。”她专门研究系外行星大气的理论模型
“大多数人都不满意，因为光谱并没有揭示太多的光谱特征，让我们能够识别大气中的气体
" 这个问题似乎是气溶胶，构成云或霾的微小颗粒和液滴
这些粒子散射星光，将显著的光谱峰值侵蚀成细微的波动，使得光谱在确定气体成分方面实际上毫无用处
但有了韦伯，研究人员相信，一个更清晰的亚海王星视图即将出现
由比恩和肯普顿共同领导的两个观测项目计划在韦伯行动的第一年进行，将利用韦伯独特的强大能力探测两颗亚海王星大小的行星:原型亚海王星的GJ 1214 b；和TOI-421 b，一个更近的发现
亚海王星原型:GJ公元前1214年 GJ 1214 b，一颗围绕附近红矮星运行的温暖的海王星下行星，已经成为数十项调查的对象
它的轨道周期短，相对于它的恒星来说体积大，并且相对接近地球，这使得它很容易(就系外行星而言)进行有效的观察，而它作为基准次海王星的地位——根据比恩的说法，“我们所知道的最神秘的系外行星”——使它成为一个值得研究的目标
说明系外行星TOI-421 b可能是什么样子
TOI-421 b是一颗亚海王星大小的炽热系外行星，围绕着一颗距离地球约244光年的类太阳恒星运行
TOI-421 b被认为有一个没有霾和云的清洁大气
学分:美国航天局、欧空局、加空局和D
玩家(STScI) 该团队将使用韦伯的中红外仪器(MIRI)在GJ 1214系统完成一个完整轨道以上时，几乎连续观察近50个小时
然后，他们将以三种不同的方式分析数据，以缩小构成GJ 1214 b大气的气体和气溶胶的可能组合
透射光谱:如果像水、甲烷或氨这样的分子很丰富，它们在透射光谱中应该很明显
中红外光不应像可见光和近红外光一样被气溶胶散射
热发射光谱学:由行星本身发射的中红外光将提供关于行星温度和反射率的信息，这两者都受到大气的影响
例如，一颗被黑暗、乌黑、吸光的雾霾包围的行星，将比被明亮、反光的云层覆盖的行星更温暖
相位曲线温度映射:虽然韦伯将无法直接观察到GJ 1214 b(行星离其恒星太近)，但它足够灵敏，可以测量行星围绕恒星运行时系统发出的光总量的非常细微的变化
研究人员将使用GJ 1214 b的相位曲线，亮度对相位(I
e
，行星的一天中有多少面正对着望远镜)来用经度绘制行星的平均温度
这将提供关于大气环流和组成的额外信息
热亚海王星TOI-421 b 目前还不清楚像GJ 1214 b这样温暖的亚海王星周围的气溶胶是由什么组成的，但它们可能与土星卫星土卫六上发现的雾霾相似
为了验证这一假设，研究人员决定以TOI-421 b为目标，这是一颗大小和密度与GJ 1214 b相似的行星，但被认为太热而不存在煤烟霾
韦伯将在TOI-421 b经过其恒星时对其进行两次观测，一次使用近红外成像仪和无狭缝摄谱仪，另一次使用近红外摄谱仪，以产生该行星的完整近红外透射光谱
如果这个假设是正确的，并且TOI-421 b的天空是晴朗的，这个光谱可以用来测量水、甲烷和二氧化碳等分子的丰度
如果事实证明TOI-421 b毕竟存在气溶胶问题，研究小组将利用这些数据来更好地了解这些气溶胶是由什么组成的
肯普顿和比恩相信，通过与韦伯以多种不同的方式探索难以捉摸的亚海王星大气，科学家们最终将开始了解不仅仅是这两个特定的物体，而是一整类行星
GJ 1214 b的MIRI观测和TOI-421 b的近红外和近红外光谱观测都将作为韦伯第一周期一般观测计划的一部分进行
《普通观察家》节目是通过双重匿名评审系统竞争选出的，该系统与哈勃望远镜上分配时间的系统相同
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