用韋伯太空望遠鏡將能夠繪製系外行星的大氣結構

系外行星，即圍繞太陽以外的恆星運行的行星，位於離地球很遠的地方。例如，距離我們最近的系外行星比鄰星b（Proxima Centauri b）距離我們4.2番薯光年，或地球與太陽距離的二十六萬五千倍。

在肉眼看來，太陽系中的行星都是亮點。然而，使用望遠鏡，這些點從恆星中脫穎而出，顯示木星大紅斑、土星環或火星冰蓋等結構。

儘管預計在系外行星上會出現這種現象，但它們與地球的距離使我們無法直接看到它們的表面。雖然如此，還是有一些方法可以更加了解它們的大氣結構和繪製它們的地圖。

加拿大蒙特利爾大學（University of Montreal）的一位天體物理學博士學生，工作與系外行星大氣的表面特徵有關。更具體地說，他的研究重點是開發工具，利用韋伯太空望遠鏡的觀測結果繪製系外行星大氣圖。

除了可以直接觀察到來自行星的光的少數特殊情況外，大多數系外行星都是使用間接方法檢測到。間接方法包括觀測行星的存在對它的母恆星發出光的影響。

運用掩星觀測中常用的凌日方法，成功檢測系外行星的數量最多。從我們的角度來看，當一顆系外行星從它的母星前面經過時，就會發生凌日。在凌日期間，來自恆星的光會減少，因為恆星的表面一部份受到行星遮擋。

光線分成對應於不同顏色的波長光譜。當在幾個波長上觀察到凌日時，就有可能測量系外行星的大氣成分。例如，水分子強烈吸收紅外線波長的光，使行星看起來更大，因為它的大氣層阻擋了來自它的母恆星大部分光。以類似的方式，也可以測量大氣溫度並檢測是否有雲的存在。

此外，凌日行星也可以從它的恆星後面經過。這種只觀察到來自恆星的光的現象稱為第二次掩食（secondary eclipse）。通過觀測這一點，可以隔離僅來自行星的光，從而獲得有關它大氣的額外資訊 。凌日法對於是否有雲的存在更敏感，而第二次掩食方法提供關於大氣的溫度更多有關資料。

一般而言，系外行星的大氣層在分析時為是單向物體。也就是說，它的成分和溫度認為只隨海拔而變化，而不隨它的在經度和緯度上的位置而變化。同時考慮它的立體情況需要復雜的模型以及高度上精確的觀測。但是，僅考慮高度可能會產生無效的近似值。例如，在地球上，赤道的溫度遠高於兩極。

一些系外行星的大氣層也有很強的空間變化。熱木星的大小與木星相似，它們的軌道非常靠近它們的母星，因此溫度可以達到幾千攝氏度。

此外，這些行星通常以與它們圍繞恆星相同的速度圍繞自身旋轉。這意味著在這些行星上，一天和一年的長度相同。就像我們只能從地球上看到月球的一側一樣，熱木星也只有一側始終面對著它的恆星。這種現象會導致受到恆星照亮的白天和永遠處於黑暗中的夜晚之間存在很大的溫差。

雖然不可能直接觀察系外行星的表面，但可以使用兩種方法測量大氣的空間變化：相位曲線分析（phase curve analysis）和二次掩食的製圖（secondary eclipse mapping）。

相位曲線是來自恆星與行星系統的光在旋轉期間的變化。由於這顆行星在它的軌道上自轉，因此我們可以依次看到它大氣層的不同部分。從這個訊號中，可以繪製出行星在經度上發出的光的強度。在熱木星的情況下，其白天通常較熱，來自行星的最大光量出現在二次掩食附近。同樣，曲線的最小值出現在凌日附近，因為那時觀測到的是夜間。

在二次掩食測繪中，系外行星的白天側得到解決。從我們的角度來看，當這顆行星從它的母恆星後面進出時，它的某些部分被掩藏起來，使我們能夠隔離它大氣中特定部分發出的光。通過測量每個單獨部分發出的光量，就可以根據經度和緯度繪製大氣層的白天那一面。

至今為止，相位曲線分析已使用太空望遠鏡應用於多顆行星，包括哈勃太空望遠鏡、刻卜勒（Kepler）太空望遠鏡和凌日系外行星巡天衛星。根據史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）的觀測，二次掩食測繪僅應用於一顆系外行星熱木星 HD189733 b。然而，這些觀測通常是在單一波長下進行的，並不能提供在這些系外行星上大氣運作過程的完整畫面。

與哈勃太空望遠鏡的2.4米鏡相比，韋伯太空望遠鏡擁有6.5米鏡面，可以在廣泛的波長范圍內提供前所未有的精確觀測。包括由加拿大製造的近紅外線相機和無狹縫光譜儀在內的四種儀器將在紅外線範圍內進行觀測，並將大量系外行星的大氣分類。

借助韋伯太空望遠鏡，我們可以應用可用的測繪方法來測量系外行星大氣的立體變化。這些測量使我們加深對其它系外行星上大氣運作的了解。

隨著技術和儀器的不斷進步，未來甚至有可能繪製出類地系外行星的地圖。

【圖：美國太空總署；文：節譯自物理學機構網頁】