詹姆斯·韦伯太空望远镜
作为地球人我们知道大气是我们赖以生存的物质，没有大气我们就不能存活。对于外太空的星球来说，有的行星有大气而有的则没有。由于地球的引力适中，使得大气能够积聚在地球上空而不逃逸到外太空，那么其它星球可以维持大气层的存在么？有什么办法可以探测到数光年之外的星体大气呢？
这不，天文学家提出了一种在岩石星球上寻找大气的新方法。
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜在将在发射，它对天文学最令人期待的贡献之一将是研究系外行星——绕遥远恒星运行的行星。系外行星科学中最紧迫的问题之一是：一颗靠近红矮星的小型岩石系外行星能否维持大气层？
下面这张图照片展示了一颗多岩石的系外行星，围绕着一颗红矮星旋转的是稀薄的云雾状的大气层。天文学家发现了一种新方法，可以让韦伯太空望远镜在短短几个小时的观察时间内探测到系外行星的大气层。
天体物理学杂志》发表了四篇系列论文，一组天文学家提出了一种新方法，利用韦伯来确定一颗岩质系外行星是否有大气层。这项技术包括测量行星从其恒星背后经过时的温度，然后再返回视野，其速度明显快于传输光谱等更传统的大气探测方法。
“我们发现韦伯可以很容易地推断出在十几个已知的岩石系外行星周围存在或不存在大气层，而每个行星的观测时间不到10小时，”芝加哥大学的雅各布·比恩说，他是其中三篇论文的合著者。
天文学家对围绕红矮星运转的系外行星特别感兴趣，原因有很多。这些比太阳更小、更冷的恒星是我们银河系中最常见的恒星类型。此外，由于红矮星很小，如果一颗行星从它前面经过，它会挡住比太阳等恒星大的恒星更多的光。这使得围绕红矮星旋转的行星更容易通过这种“凌日”技术被探测到。
选择红矮星的理由
红矮星产生的热量也比我们的太阳少得多，所以要享受适宜居住的温度，行星需要在离红矮星很近的轨道上运行。事实上，要想处于宜居带，行星表面要存在液态水，并且处在恒星周围区域，这种行星必须比水星离太阳更近。因此，它将更频繁地凌日恒星，使重复观测变得更容易。
但是，在如此靠近红矮星的轨道上运行的行星会受到恶劣的条件影响。年轻的红矮星非常活跃，经常爆发出巨大的耀斑和等离子体。恒星也会释放出一股带电粒子的强风。所有这些因素都有可能冲刷掉行星的大气层，留下光秃秃的岩石。
“大气损耗是对行星宜居性的头号生存威胁，”比恩说。
围绕红矮星运行的系外行星的另一个关键特征是新技术的核心：它们可能会被潮汐锁定，这意味着它们有一个永久的昼面和夜面。因此，我们可以看到地球在轨道上不同位置的不同阶段。当它穿过恒星表面时，我们只能看到行星的背面。但是，当它即将从恒星后面穿过，或者刚刚从恒星后面出现时，我们可以观察白天。
温度越低越有可能存在大气
如果一颗岩石系外行星缺少大气，它的白天就会非常热，就像我们看到的月球或水星一样。然而，如果一颗岩石系外行星有大气层，那么大气的存在将降低韦伯测量的天体温度。它可以通过两种方式做到这一点。厚厚的大气层可以通过风把热量从白天输送到黑夜。更稀薄的大气仍然可以形成云团，这些云团会反射一部分射入的星光，从而降低地球白天的温度。
“无论什么时候，只要你增加一层大气，你就会降低白天的温度。因此，如果我们看到比裸岩更冷的东西，我们就会推断它可能是大气的迹象，”两篇论文的第一作者、麻省理工学院的丹尼尔·科尔解释道。
韦伯太空望远镜是进行这些测量的理想望远镜，因为它比其他望远镜，如美国宇航局的哈勃或斯皮策太空望远镜，有更大的镜子，这使它能够收集更多的光，它可以瞄准适当的红外波长。
研究小组的计算表明，韦伯应该能够在一到两次日食中探测到行星大气的热信号，只需要几个小时的观测时间。相比之下，通过光谱观测来探测大气通常需要8次或更多的凌日。
韦伯太空望远镜将比光谱探测技术更占优势
透射光谱学研究的是星光穿过地球大气层时的情况，它也会受到云层或雾霾的干扰，因为云层或雾霾会掩盖大气的分子特征。在这种情况下，光谱图不会显示出明显的吸收线，由于分子特征被掩盖，光谱图将基本上是平坦的。
“在透射光谱中，如果你得到一条平坦的线，它不会告诉你任何东西。平线可能意味着宇宙充满了没有大气层的行星，或者宇宙的行星有一系列的多样化，有趣的大气，但他们看起来都一样。”马里兰大学的伊丽莎·肯普顿说，他也是三个论文的合著者。
她补充说：“没有云和雾的系外行星大气层就像独角兽一样。我们只是还没有看到它们，它们可能根本不存在。”
研究小组强调，比预期更低的白天温度将是一个重要的线索，但它不能完全证实存在大气。任何关于大气存在的疑问都可以通过后续研究排除，这些后续研究使用了其他方法，比如透射光谱法。
这项新技术的真正优势在于确定有多少岩石系外行星可能有大气层。在过去的一年里，大约有12颗系外行星被探测到，它们是这种方法应用的良好候选者，更多的存在大气层的行星可能在韦伯开始工作时被发现。
“凌日系外行星勘测卫星(TESS)正在寻找大量的此类行星，”肯普顿说。
第二次月食法有一个关键的限制：它最适用于那些太热而不能位于宜居带的行星。然而，确定这些热行星是否拥有大气层对可居住带行星有着重要的意义。
科尔说：“如果热行星能够保持大气层，那么温度较低的行星至少也能保持大气层。”
詹姆斯·韦伯太空望远镜将于发射，届时它将成为世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开太阳系的奥秘，观察其他恒星周围遥远的世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在宇宙中的位置，韦伯也是一个由美国国家航空航天局及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的国际项目。
