作者:路易·菲利浦·库隆贝，《对话》
用哈勃和斯皮策太空望远镜研究的10颗炽热木星的艺术表现
信用:美国航天局/欧空局 系外行星，即围绕太阳以外的恒星运行的行星，发现于离地球很远的地方
例如，离我们最近的系外行星比邻星b是4
2光年之外，也就是地球和太阳之间距离的265000倍
对于肉眼来说，太阳系中的行星看起来是亮点
然而，使用望远镜，这些点从恒星中脱颖而出，揭示了诸如木星的大红斑、土星环或火星的冰盖等结构
虽然这种现象在系外行星上会出现，但是它们离地球的距离使我们无法直接分辨它们的表面
尽管如此，还是有办法了解更多关于它们大气层的结构并绘制它们的地图
我是博士
D
蒙特利尔大学天体物理学学生
我的工作与系外行星大气的表征有关
更具体地说，我的研究侧重于开发工具，利用詹姆斯·韦伯太空望远镜的观测来绘制系外行星的大气层
这台望远镜于12月16日发射
2021年5月25日，有望彻底改变系外行星科学领域
探测和表征系外行星 除了少数可以直接观察到来自行星的光的特殊情况外，大多数系外行星都是用间接方法探测到的
间接方法包括观察行星的存在对其恒星发出的光的影响
通过这种方法，发现了最多的系外行星
从我们的角度来看，当一颗系外行星从它的宿主恒星前面经过时，就会发生凌日
在凌日期间，由于恒星表面被行星部分遮挡，恒星发出的光会减少
光被分成对应于不同颜色的波长光谱
当在几个波长下观察到一次凌日时，就有可能测量系外行星的大气成分
例如，水分子强烈吸收红外波长的光，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，也有可能测量大气温度并探测云层的存在
此外，凌日行星也可以从其恒星后面经过
这种只观察到来自恒星的光的现象被称为次月食
通过观察这一点，有可能隔离仅来自行星的光，从而获得关于其大气层的额外信息
中天法对云的存在更为敏感，而次月食法提供了更多关于大气温度的信息
行星围绕其恒星的示意图，以及根据其位置从系统发出的光
信用:欧空局 一般来说，分析系外行星时，它的大气层被认为是一维物体
也就是说，它的组成和温度被认为只随高度而变化，而不随经度和纬度的位置而变化
同时考虑这三个维度需要复杂的模型和高度的观测精度
然而，仅考虑海拔可能会产生无效的近似值
例如，在地球上，赤道的温度比两极高得多
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，轨道非常靠近它们的主星，因此温度可以达到几千摄氏度
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，一天和一年是一样长的
就像我们只能从地球上看到月球的一面一样，只有热木星的一面不断面对它的恒星
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的巨大温差
制图方法 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来测量大气的空间变化:相位曲线分析和二次日食测绘
相位曲线是恒星-行星系统在一个旋转周期内光线的变化
由于行星在其轨道上自转，我们可以连续看到它大气层的不同部分
从这个信号中，可以绘制出这颗行星发出的光线强度的经度图
就热木星而言，它的白天通常更热，来自该行星的最大光在次月食附近
类似地，曲线的最小值在过境点附近，因为那时观察到的是夜间
在第二次月食制图中，系外行星的白天被解析
从我们的角度来看，当这颗行星从它的恒星后面进进出出时，它的一部分被隐藏了起来，这使得我们能够隔离它的大气的给定部分发出的光
通过测量每个单独部分发出的光量，就有可能绘制出大气白天与经度和纬度的对比图
詹姆斯·韦伯太空望远镜的到来 迄今为止，相位曲线分析已经应用于使用空间望远镜的几个行星，包括哈勃、开普勒和TESS空间望远镜
根据斯皮策太空望远镜的观测，二次日食测绘只应用于一颗系外行星，热木星HD189733 b
然而，这些观测通常是在单一波长下进行的，并不能提供这些系外行星上大气过程的完整图像
用6
5米的镜子，相比之下哈勃的2
4米长的镜子，韦伯望远镜将提供前所未有的宽范围波长的精确观测
包括加拿大近红外成像仪和无狭缝摄谱仪在内的四种仪器将在红外范围内进行观测，并对众多系外行星的大气层进行表征
有了韦伯望远镜，我们就有可能应用现有的测绘方法来测量系外行星大气的三维变化
这些测量将使我们加深对大气过程的了解
随着技术和仪器的不断进步，甚至有可能在未来绘制一颗类似地球的系外行星
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