天文學家利用美國航太總署(NASA)的史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)首度捕捉到足夠的系外行星(exoplanets)發出的光線,讓天文學家得以鑑別出這些系外行星大氣層中的分子訊號,對於未來針對岩質系外行星進行可能的生命偵測研究而言是一大利多消息,比天文學家原本預期的時程還提前了許多年。

史匹哲太空望遠鏡利用紅外波段觀測了兩顆太陽系以外的系外行星HD 209458b和HD 189733b,這兩顆是所謂的「熱木星(hot Jupiters)」,與木星類似,都是主要由氣體組成的龐大氣體巨行星,且軌道非常靠近它們的母星。

觀測資料顯示這兩顆系外行星比天文學家原本預期的還乾而多雲。理論學者原本預測熱木星的大氣中應該會含有許多的水汽,但HD 209458b和HD 189733b的大氣中卻都幾乎不含有水的成分。天文學家猜測,或許水分現在都被藏在一層厚厚的無水雲層底下,因此偵測不到。

其中一顆系外行星HD 209458b的觀測資料顯示大氣中含有微小矽酸鹽沙粒的訊息,意味著這顆行星的高空中充滿了塵狀雲,與太陽系的行星都不相同;或許也正是這層濃密的塵狀雲將底下的水汽遮蔽而無法偵測到。

要取得系外行星大氣中的成分,必須先取得行星大氣的光譜--將光按照波長分散開來;某種原子或分子會在光譜的固定波長產生吸收或發射譜線,天文學家藉此可瞭解行星的大氣中含有何種成分。不過,因為系外行星距離非常遙遠而昏暗,再加上鄰近它們的母星,要取得它們的光譜相當不易。由於行星的輻射大多落在紅外波段,而且HD 209458b是顆「凌日行星」,軌道恰好側面朝向地球,因此會從母星前方通過使母星亮度變暗的系外行星,因此天文學家是利用行星凌日的前後過程取得的光譜,扣除母星的紅外光譜後,才能取得系外行星的大氣光譜。

天文學家先前曾利用哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)以可見光波段偵測HD 209458b的光譜,不過只能取得單獨的元素,如鈉、氧、碳、氫等,這些單獨的元素多半存在於大氣的最頂層;此外,哈柏是測量行星凌日過程中的恆星光譜,由此判定HD 209458b的大氣化學組成,測量結果顯示鈉含量比理論預期的少,這點也支持HD 209458b的大氣中有塵埃遮蔽的想法。

目前已知的系外行星將近200顆,其中有14顆為凌日行星。天文學家打算繼續利用史匹哲研究其他的凌日行星,也打算取得更精細的HD 209458b和HD 189733b大氣光譜資料,期望能對系外行星 的大氣狀態做進一步的瞭解。這次史匹哲的成功,也使得天文學家燃起希望,期待不久的未來可以取得類似地球這樣大小的岩質系外行星的光譜,再由此鑑定出是否出現如氧或甚至是葉綠素(chlorophyll)等有生命存在的關鍵分子。

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淡江大學天文社

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