NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜测量了一颗岩质系外行星的温度

这张插图显示了基于这项工作的炽热岩质系外行星TRAPPIST-1 b的样子。TRAPPIST-1 b是TRAPPIST-1系统中已知的七颗行星中最里面的一颗，围绕它的恒星公转的距离为0.011天文单位，完成一圈公转的时间仅为1.51个地球日。TRAPPIST-1 b比地球略大，但密度大致相同，这表明它必须由岩石组成。韦伯对TRAPPIST-1 b发出的中红外光的测量表明，这颗行星没有任何实质性的大气层。这颗名为TRAPPIST-1的恒星是一颗超冷红矮星（M矮星），温度只有2566开尔文，质量只有太阳质量的0.09倍。这张图是基于韦伯的中红外仪器（MIRI）收集的新数据，以及之前其他地面和太空望远镜的观测结果。韦伯没有拍摄到这颗行星的任何图像。
影像来源：NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

一个国际研究团队使用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜测量了岩质系外行星TRAPPIST-1 b的温度。测量基于该行星的热辐射：韦伯的中红外仪器（MIRI）检测到的以红外光形式释放的热能。结果表明，这颗行星的昼面温度约为500开尔文（约450华氏度），并表明它没有明显的大气层。

这是首次探测到像我们太阳系中的岩石行星一样小而冷的系外行星发出的任何形式的光。这一结果标志着在确定像TRAPPIST-1这样的小型活跃恒星周围的行星是否能够维持生命所需的大气方面迈出了重要的一步。这也预示着韦伯有能力使用MIRI来表征温和的、地球大小的系外行星。

“这些观测确实利用了韦布的中红外能力。”NASA艾姆斯研究中心的天体物理学家托马斯·格林说，他是今天发表在《自然》杂志上的这项研究的主要作者。“以前没有望远镜有这样的灵敏度来测量如此微弱的中红外光。”

该图比较了使用韦伯的中红外仪器（MIRI）测量的TRAPPIST-1 b的昼侧温度与不同条件下的计算机模型的温度。这些模型考虑了系统的已知属性，包括恒星的温度和行星的轨道距离。水星昼侧的温度也显示出来以供参考。TRAPPIST-1 b在15微米处的昼侧亮度对应的温度约为500开尔文（约450华氏度）。这与假设行星处于潮汐锁定状态（一面始终面对恒星），表面颜色较深，没有大气，热量没有从昼侧到夜侧的重新分配的温度一致。如果来自恒星的热能均匀分布在行星周围（例如，通过循环的无二氧化碳大气），15微米处的温度将为400开尔文（260华氏度）。如果大气中有大量的二氧化碳，它会发出更少的15微米的光，而且看起来会更冷。虽然按照地球的标准，TRAPPIST-1 b是很热，但它比水星的昼侧要冷，后者由裸露的岩石组成，没有明显的大气。水星从太阳获得的能量大约是TRAPPIST-1 b从其恒星获得的能量的1.6倍。
影像来源: 插图: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI); 科学说明: Thomas Greene (NASA Ames), Taylor Bell (BAERI), Elsa Ducrot (CEA), Pierre-Olivier Lagage (CEA)

环绕超冷红矮星运行的岩质行星

2017年初，天文学家报告称，在距离地球40光年的超冷红矮星（或M矮星）周围发现了七颗岩质行星。这些行星的非凡之处在于它们在大小和质量上与我们太阳系内的岩质行星相似。尽管它们的轨道都比我们任何一颗围绕太阳运行的行星都更靠近它们的恒星——它们都可以轻松地在水星的轨道上运行——但它们从微小的恒星那里接收到的能量与水星相当。

TRAPPIST-1 b是最里面的行星，其轨道距离约为地球的百分之一，接收到的能量大约是地球从太阳获得的能量的四倍。虽然它不在该系统的宜居带内，但对该行星的观测可以提供关于其兄弟行星以及其他M矮星系统的重要信息。

“银河系中这些恒星的数量是太阳这样的恒星的十倍，它们拥有岩质行星的可能性是太阳这样的恒星的两倍。”格林解释道。“但它们也非常活跃——它们年轻时非常明亮，会发出耀斑和X射线，可以毁灭大气层。”

来自法国替代能源和原子能委员会（CEA）的共同作者埃尔莎·杜克洛是TRAPPIST-1系统早期研究团队的成员，她补充道：“较小、较冷恒星周围的类地行星更容易表征。如果我们想了解M恒星周围的宜居性，TRAPPIST-1系统是一个很好的实验室。这些是我们观察岩质行星大气层的最佳目标。”

探测大气层（或不探测）

哈勃和斯皮策太空望远镜之前对TRAPPIST-1 b的观测没有发现膨胀大气的证据，但也不能排除稠密大气的可能性。

减少不确定性的一种方法是测量行星的温度。“这颗行星被潮汐锁定，一边始终面对恒星，另一边永远处于黑暗中。”该论文的合著者、来自CEA的皮埃尔-奥利维耶·拉热说。“如果有大气进行循环和重新分配热量，则昼侧将比没有大气时更冷。”

该团队使用了一种称为二次日食测光的技术，在这种技术中，MIRI测量了行星移动到恒星后面时系统亮度的变化。虽然TRAPPIST-1 b的温度不足以发出可见光，但它确实有红外辉光。通过从恒星和行星的的总亮度减去恒星本身的亮度（在二次日食期间），他们能够成功地计算出行星发出了多少红外光。

这条光曲线显示了当最里面的行星TRAPPIST-1 b移动到恒星后面时，TRAPPIST-1系统的亮度变化。这种现象被称为二次日食。天文学家使用韦伯的中红外仪器（MIRI）来测量中红外光的亮度。当行星在恒星旁边时，恒星和行星昼侧发出的光都到达望远镜，系统看起来更亮。当行星在恒星后面时，行星发出的光被阻挡，只有星光到达望远镜，导致表观亮度下降。天文学家可以用恒星和行星的亮度之和减去恒星的亮度，计算出有多少红外光来自行星的昼侧。然后用它来计算白天的温度。该图显示了使用MIRI的F1500W滤光片进行的五次独立观测的综合数据，该滤光片只允许波长在13.5-16.6微米之间的光通过探测器。蓝色方块是单独的亮度测量值。红色圆圈显示的是被“分类”的测量值，或者是平均值，以便更容易地看到随时间的变化。在二次日食期间，亮度下降小于0.1%。MIRI能够检测到小至0.027%（或3700分之一）的变化。这是第一次对TRAPPIST-1 b，或任何像地球一样小，像我们太阳系中的岩石行星一样冷的行星进行热发射观测。为了确认结果并缩小解释范围，使用12.8微米的过滤器重复观测。
影像来源: 插图: NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI); 科学说明: Thomas Greene (NASA Ames), Taylor Bell (BAERI), Elsa Ducrot (CEA), Pierre-Olivier Lagage (CEA)

测量亮度的微小变化

韦布对二次日食的探测本身就是一个重要的里程碑。这颗恒星的亮度是这颗行星的1,000多倍，亮度的变化不到0.1%。

“也有人担心我们会错过日食。行星都相互牵引，所以轨道并不完美。”湾区环境研究所的博士后研究员泰勒·贝尔分析了这些数据，他说。“但这太令人惊讶了：我们在数据中看到的日食时间与预测的时间相差不超过几分钟。”

该团队分析了五次独立的二次日食观测数据。“我们将结果与计算机模型进行了比较，该模型显示了不同情况下的温度。”杜克洛解释道。“这个结果几乎完全符合由裸露岩石制成的黑体，并且没有大气来循环热量。我们也没有看到任何光被二氧化碳吸收的迹象，这在这些测量中是显而易见的。”

本研究是韦伯保证时间观测（GTO）1177项目的一部分，该项目是韦伯第一年科学研究中旨在帮助全面确定TRAPPIST-1系统特征的8个项目之一。目前正在对TRAPPIST-1 b进行更多的二次日食观测，现在他们知道了数据的准确性，该团队希望最终探测到一条显示整个轨道亮度变化的全相位曲线。这将使他们能够看到温度从白天到夜晚的变化，并确认行星是否有大气层。

“有一个目标是我梦寐以求的。”从事MIRI仪器开发20多年的拉加奇说。“就是这一次。这是我们第一次能够探测到岩质、温和的行星辐射。这是发现系外行星的重要一步。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学观测站。韦伯将解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是一个由NASA及其合作伙伴欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）领导的国际项目。MIRI由NASA和ESA出资，该仪器由国家资助的欧洲研究院联盟（MIRI欧洲联盟）和NASA喷气推进实验室与亚利桑那大学合作设计和建造。

参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/nasa-s-webb-measures-the-temperature-of-a-rocky-exoplanet