想要看到系外行星火山需要什么

即使使用世界上最好的望远镜提供的最清晰的图像，天文学家仍然不知道他们看到的是什么。要从詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)等望远镜捕获的图像中收集科学数据，需要对物理学(尤其是光的工作原理)有基本的了解。

为了帮助理解这一点，一整组物理建模者专门试图理解不同望远镜技术下的不同场景会是什么样子。发布在arXiv预印本服务器上的一篇新论文恰好符合这种模式，来自加州大学河滨分校、美国宇航局戈达德分校、美利坚大学和马里兰大学的研究人员决定对他们认为围绕太阳的系外行星上的火山活动进行建模。像明星一样。

那么为什么火山活动如此重要呢?简而言之，这是一种间接的方式来观察系外行星的内部，看看地表下可能存在什么地质情况。在其核心，火山将地球内部的所有物质喷射到外部，特别是喷射到大气中。因此，任何能够捕捉火山系外行星大气层图片的望远镜都能够看到其内部结构。

目前，只有少数望远镜的强度足以探测系外行星的大气层，JWST就是其中之一。然而，它只能在红矮星周围探测到它们。亮度与太阳相似的恒星会冲毁望远镜的传感器，使其数据变得毫无用处。

但对于未来几代望远镜来说，情况可能并非如此。特别值得一提的是，一款名为LUVOIR望远镜，目前仍仅处于概念阶段。LUVOIR至少按照目前的规格，有可能直接对地球大小的系外行星的大气层进行成像，这些系外行星围绕着大约1个天文单位距离的类太阳恒星运行。

弗雷泽与系外行星大气专家乔安娜·巴斯托博士进行了对话。

但这实际上意味着什么?拍摄如此遥远物体的图像需要特殊的理解力才能解读。这并不像在图片背景中直观地看到埃菲尔铁塔那么简单。它更多的是以一种可以转化为对望远镜可以捕获的内容的科学理解的方式解释数据。提出密码的最佳方法之一是在我们已知的物体上测试望远镜的功能。

宇宙中研究得最好的物体之一就是地球本身。我们了解大气的光谱，直至一些非常微小的细节。我们还可以模拟我们认为它在像LUVOIR这样的望远镜上会是什么样子。虽然发现另一个地球的潜力令人信服，而且坦率地说，这是一种实际的可能性，但本文对“外地球”模型进行了更细致的研究——根据不同火山喷发的存在，信号会发生什么变化?

如上所述，火山是远程观测行星核心的最佳方法之一，因此行星科学家希望获得尽可能多的数据。而且，我们最好的数据再次是在地球上收集的。我们了解这里的火山产生了哪些化学物质，这些化学物质可能会在地球外大气层的光谱特征中被识别出来。

我们已经能够在一些系外行星的大气中看到水蒸气，弗雷泽在这里进行了讨论。

LUVOIR拥有三种主要的光谱仪，专注于不同波长的光——紫外线、可见光和近红外线。在非火山外地球模型中，紫外线波长对臭氧表现出高度敏感性，而普通氧气和水蒸气在可见光下更为明显。水也是近红外波段中最明显的元素。

这一切与火山有什么关系?火山喷发时向空气中喷出的气溶胶会对至少其中一些元素(尤其是水)的光谱读数造成严重破坏。根据该论文，“当火山喷发正在进行时，H2O吸收特征几乎完全被火山气溶胶掩盖。”这似乎是一个非常明确的指标，如果LUVOIR看到一颗行星在可见光和近红外光谱中具有固体光谱带，并且这些值在观察期间发生巨大变化，那么它可能是由某种形式的火山活动引起的。

另一个指标是系外行星大气中存在二氧化硫(酸雨)。这种气体的寿命相对较短，但会因火山喷发而不断喷出。不幸的是，LUVOIR能够拾取的光谱吸收线几乎完全被臭氧的类似吸收线所掩盖，因此很难在数据中分离出SO2的存在。

LUVOIR甚至不是天文学家梦想的最大望远镜——我们可以做得更大。

总体而言，正在进行的火山活动的光谱特征似乎与紫外线(即臭氧)和可见光(即O2和水)光谱的变化最为一致。特别是，臭氧谱线周围的高峰值可能表明存在正在进行的活跃喷发。但是我们用LUVOIR找到这样一颗行星的可能性有多大呢?

根据论文中讨论的模型，大约90%。至少如果我们观察到47颗类地行星围绕类日恒星运行，概率确实会达到那么高。考虑到已经确认的系外行星超过5,000颗，LUVOIR发现47颗类地系外行星的机会相当高。

不过，我们还需要一段时间才能确定。LUVOIR目前预计将于2039年发射，我们可以在2040年代收集到任何观察系外行星大气层的数据。这似乎是一个很长的时间，但至少它给了理论家更多的时间来开发我们可能期望看到的模型。希望有很多新的东西可供分析，而不仅仅是火山。

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