看到系外行星火山需要什么？

黄俊琼

木星的卫星木卫一上火山爆发的图像——取自伽利略号宇宙飞船。鸣谢:美国国家航空航天局，美国国家航空航天局-JPL，德国航天中心

（）据今日宇宙（安迪·托马威克）：即使有世界上最好的望远镜拍摄的最清晰的图像，天文学家仍然不知道他们在看什么。从像詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)这样的望远镜捕捉的图像中收集科学数据需要对物理学，特别是光是如何工作的有一个基本的理解。

为了帮助理解这一点，一群物理建模师专门试图理解使用不同的望远镜技术会出现什么样的不同场景。arXiv预印本服务器上发布的一篇新论文恰好符合这一模型，来自加州大学河滨分校、美国国家航空航天局戈达德分校、美国大学和马里兰大学的研究人员决定模拟他们认为围绕类太阳恒星的系外行星上的火山活动。

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窥视系外行星内部，以了解地表下可能存在的地质情况。在其核心，火山将地球内部的一切喷向外部，尤其是大气。因此，任何能够捕捉到火山系外行星大气层照片的望远镜，都有能力看到它的内部是由什么组成的。

目前，只有少数望远镜足够强大，甚至可以探测到系外行星的大气层——JWST就是其中之一。然而，它只能在红矮星周围探测到它们。亮度与我们的太阳相似的恒星会冲掉望远镜的传感器，使它们的数据变得无用。

但是未来几代的望远镜可能就不是这样了。特别是一个叫做LUVOIR望远镜的，目前还只是在概念阶段。LUVOIR有可能，至少在目前的规格下，直接成像地球大小的系外行星的大气层，这些行星以大约1 AU的距离围绕类太阳恒星运行。

然而，这实际上意味着什么呢？拍摄如此遥远物体的图像需要特殊的理解才能解读。这可不是在图片背景中视觉上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所能捕捉的东西的科学理解的方式来解释数据。想出一个密码的最好方法之一是在我们已知的物体上测试望远镜的能力。

宇宙中研究得最好的物体之一是地球本身。我们对大气光谱的了解已经深入到一些非常细微的细节。我们也可以模拟我们认为它在像卢瓦尔这样的望远镜中会是什么样子。虽然找到另一个地球的可能性既令人信服，而且坦率地说，也是一种实际的可能性，但本文对“系外地球”模型进行了更细致的研究——基于不同火山爆发的存在，信号会有什么变化？

如上所述，火山是远程观察行星核心的最佳方式之一，因此行星科学家希望获得尽可能多的数据。再一次，我们最好的数据是在地球上收集的。我们知道什么化学物质来自这里的火山，这可能是在地球外大气的光谱特征中获得的。

LUVOIR有三个主要的光谱仪，专注于不同波长的光——紫外线、可见光和近红外线。在一个非火山化的地外模型中，紫外线波长对臭氧高度敏感，而普通的氧气和水蒸气在可见光中更明显。水也是近红外波段最明显的元素。

这一切和火山有什么关系？火山喷发时喷到空气中的气溶胶至少对其中一些元素的光谱读数造成了破坏，尤其是水。根据这篇论文，“当火山爆发正在进行时，H2O吸收特征几乎完全被火山气溶胶所掩盖。”这似乎是一个非常明确的指标，如果卢瓦尔看到一颗行星在可见光和近红外光谱中有一个稳定的光谱带，并且这些值在观察期内发生了显著变化，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二氧化硫(酸雨)的存在。这种气体的寿命相对较短，但不断由火山喷发喷出。不幸的是，LUVOIR能够探测到的光谱吸收线几乎完全被类似的臭氧吸收线所掩盖，这使得很难从数据中分离出SO2的存在。

总体而言，正在进行的火山活动的光谱特征似乎最符合紫外线(即臭氧)和可见光(即氧气和水)光谱的变化。特别是，臭氧谱线周围的高峰可能表明正在进行的活跃喷发的存在。但是我们找到像卢瓦尔那样的行星的可能性有多大呢？

根据文中讨论的模型，大约90%。至少如果我们在类太阳恒星周围观测到47颗类地行星，概率确实达到那么高。考虑到已经有5000多颗确认的系外行星，卢瓦尔发现47颗类地系外行星的几率相当高。

不过，我们还需要一段时间才能确定。LUVOIR目前估计将于2039年发射，将我们可以收集的任何数据用于观察21世纪40年代的任何系外行星大气。这似乎离现在还有很长的时间，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以分析，不仅仅是火山。