凌日光譜學

1995年，科學家發現了環繞一顆類太陽恒星（與太陽相似的恒星）運行的第一顆系外行星。當時，瑞士日內瓦天文臺的科學家梅耶和奎羅茲發現，飛馬座51號星有一種規則的前后晃動。他們下結論說，這種晃動是由一顆行星的引力導致的，這顆行星的質量是地球的至少150倍（差不多等于木星質量的一半），每4天環繞母恒星（即飛馬座51號星）一圈。隨著系外行星探索熱潮的興起，其他有關系外行星的發現接踵而至，這讓望遠鏡經理人劃撥更多的觀測時間給系外行星探索者。

隨著發現的系外行星越來越多，在位于美國馬薩諸塞州坎布里奇的“哈佛-史密森尼天體物理中心”工作的科學家沙博諾靈光閃現。他想到，當一顆行星“凌日”（即從恒星正前方經過）時，行星大氣層中的分子會吸收恒星的一些星光，行星大氣分子的光譜指紋因此留在了星光中。那么，有無可能探查這些指紋呢？

為找到答案，沙博諾決定搜尋鈉。他解釋說，鈉并非特別豐富，但鈉的光譜特征很鮮明——激發態鈉分子會發射兩條很強的光線，鈉街燈發出明亮的橘紅光就是這個原因。當鈉被背光照射，穿越它的光會在光譜中的相同點位留下暗色條帶。沙博諾希望，這些條帶會相對容易被發現。

系外行星“HD 189733b”及其母恒星（想象圖）

沙博諾想的沒錯。他的團隊2002年宣布，使用哈勃太空望遠鏡，他們探查到了來自一顆木星大小的系外行星——HD 209458（距離地球150光年）的鈉信號。這既是對一顆系外行星的大氣層首次進行探測，又是對系外行星大氣層進行首次光譜學測量。此后短短幾年內，基于太空的凌日觀測記錄了更多完整的光譜，探查到了諸如一氧化碳和水蒸氣之類的氣體。

沙博諾說，運用這種技術意味著尋找恒星光譜中極微小的改變，改變幅度或許只有萬分之一。對于探索系外行星的科學家來說，“哈勃”是首選工具，原因是：“哈勃”不受光線被地球大氣層氣體吸收影響，所以“哈勃”獲得的光譜很干凈，容易解讀。但對“哈勃”觀測時間的競爭很激烈，因此科學家也要使用地面望遠鏡。

利用地面望遠鏡進行觀測，的確必須對付大氣層干擾，但可以通過采集比“哈勃”能采集的星光更多的星光，來克服這個難題。這讓科學家能探查光線微弱的天體，并且更明確地分離單個光譜特征。由于大多數系外行星都位于相對于地球而移動的恒星系統中，地面觀測獲得了回報。沙博諾說，恒星星光的波長發生多普勒頻移，這意味著來自這些波長的輻射被恒星運動拉伸或壓縮，它們的光譜線略微偏離地球大氣層中對應的光譜線。因為這兩套光譜線不再重疊，所以科學家能確定究竟有多少信號來自于系外行星。運用這種技術，科學家能探查到只占一顆行星大氣層10萬分之一的氣體。

對凌日光譜學技術的一種延伸，讓科學家得以測量反射自一顆行星表面的光線。他們做到這一點，是在行星從母恒星正面完全經過后，即在行星位于自己軌道的遠端、行星被母恒星星光照亮的一面朝向地球的情況下。雖然科學家依然不能看見一顆與恒星分開的單獨的行星，但他們知道行星光譜與恒星光譜是合并在一起的。稍后不久，行星會跑到恒星背后，被恒星完全遮掩。于是，科學家從測量行星光譜與恒星光譜的合并光譜轉到單獨測量恒星光譜，兩者的差異就能揭示行星的情況。當然，這一過程遠非說的這么簡單明了，而是非常復雜、非常艱難，但它能夠測量一顆近距離環繞母恒星、木星大小的系外行星的紅外光光譜，哪怕這顆行星的亮度只有其母恒星的0.1%也行。

這項技術的另一個更具雄心的應用，就是在一個完整軌道中跟蹤一顆系外行星。減去在行星被遮擋期間獲得的恒星光譜，科學家就能得到從薄薄月牙形態（當行星剛剛結束凌日時）變到半月形態（當行星位于恒星側面時）、再到滿月形態（當行星位于自己軌道遠端）的行星大氣光譜。這讓他們能制作相對細化的行星大氣層及其隨時間變化地圖。加拿大麥吉爾研究院（位于蒙特利爾）科學家考恩的團隊2012年宣布，他們使用這項技術，并且運用來自美國宇航局斯皮策太空望遠鏡的紅外數據，證明系外行星HD 189733b的表面最高溫出現在其赤道大約10°以內，這與預測值吻合。從那以來，其他科學家運用“哈勃”和“斯皮策”的數據，繪制了更詳細的系外行星大氣層地圖。考恩說，在JWST升空后，繪制一顆熱木星的3D地圖將變得很容易。

凌日光譜學其實也有缺陷。一些系外行星的云層光譜幾乎沒有任何特征，因為這些云層由液滴或細小塵埃微粒組成，它們不以孤立分子那樣的方式在光譜中留下的自己的印記。沙博諾說，這些云層的確讓人很頭痛。科學家無法直接測量這些云層的構成，只是知道它們阻擋光線。它們不見得由水蒸氣組成。沙博諾指出，一顆云遮霧繞的系外行星——超級地球GJ 1214b是如此熾熱，以至于它的云層有可能由硫化鋅和氯化鉀組成。在溫度更高的系外行星上，云層甚至可能包含鐵或巖石的液滴。

美國康奈爾大學卡爾·薩根研究院院長麗莎，指出了凌日測量方法的另一個缺陷。她說，當光線擊中一顆凌日行星，光線不只是被吸收，還會在行星大氣層中被扭曲，這讓我們不可能在地球上看見系外行星。這種扭曲叫作折光。大氣層越稠密，折光越厲害。麗莎說，如果外星科學家試圖獲得地球的光譜學讀數，折光會把他們能探測的深度限制到地表以上最多10千米，而地球的大部分水都位于地球大氣層最下面10千米，與此類比，要想在一顆類地球系外行星上發現水，恐怕難上加難。