揭開系外行星的面紗

行星們籠罩在霧霾之中，藏起了有關它們構成的線索。

實驗室的實驗可以幫我們獲得更清晰的視野。

2013年，在芝加哥大學一間沒有窗戶的辦公室里，勞拉 · 克萊德伯格（Laura Kreidberg）正凝視著一顆遙遠星球的天空。那年，克萊德伯格還是一名天文學研究生，她解析了哈勃空間望遠鏡的數據，當時該望遠鏡正在觀測系外行星GJ1214b，它大約是地球的三倍大。在天文學家們尋找有關外星世界本質的線索時，GJ1214b是研究的熱門目標，不僅因為它相對較近，距離地球只有48光年遠，還因為它每1.5天就環繞它的恒星運行一圈。每運行一圈時，我們就可以細細檢查它的大氣層。

每當這顆行星凌越它的母恒星時，它都會短暫地遮住母恒星的一部分表面。于是，恒星的一小部分光線穿過這顆行星的大氣層，而大氣層中的不同分子以各自的特定波長吸收光線?？巳R德伯格對15次凌日的哈勃觀測數據做了分層，希望能夠看到GJ1214b的大氣層如何吞噬部分光譜，從而造成了明顯的光度減少。如果能找到水蒸氣分子的特征標記，也許暗示著這顆星球上存在海洋，而硫分子的特征標記則可能意味著有火山存在。

克萊德伯格如今在馬克斯 · 普朗克天文研究所工作，她說，但令她失望的是，“光譜變得越來越平，越來越平，越來越平。”光線根本沒有穿透大氣層。她的結論是，這顆行星密不透風的大氣層只能表明一件事：在大氣層高處有一層氣溶膠阻擋了光線。她想捕捉的化學豐富性被藏在了神秘的云霾之下。

她沮喪地寫下了她的研究結果。這篇于2014年發表在《自然》期刊上的論文引發了一眾系外行星天文學家的思考。此前，他們已經花了幾十年時間準備用詹姆斯 · 韋布空間望遠鏡（JWST）去解剖系外行星的大氣層。這臺巨大的新型空間望遠鏡于去年開始運行，其聚光能力是哈勃望遠鏡的六倍。由于它的分辨率極高，且可觀測波段延伸至紅外線，天文學家們希望探測到潛在的系外行星生物特征，也就是指示生命跡象存在的分子，比如氧氣或二氧化碳和甲烷的組合。

但他們基本忽略了JWST的視野被懸浮氣溶膠阻擋的可能性。懸浮氣溶膠要么是由氣體凝結形成的云滴，要么是由光化學反應形成的霧霾顆粒。如今，通過對GJ1214b和少數幾顆同樣晦暗難辨的系外行星的觀測，天文學家承認，正如霧霾和云層遮蓋了太陽系中每一顆擁有大氣層的行星和衛星那樣，它們也很可能會遮住JWST觀測的大部分系外行星目標。

“我們不想花費所有精力建造巨大的、價值數十億美元的望遠鏡，只為了獲取我們無法理解的數據。”卡內基科學研究所的行星學家彼得 · 高（Peter Gao）說。對于數種常見的行星氣體，研究人員已經相當了解它們是如何相互作用并凝結成云的，但是霧霾可能由任意數量、成千上萬個復雜分子組成，它們要更加神秘。目前沒有實驗室實驗可以證明它們如何產生、它們是什么，以及它們如何與光相互作用。高說：“這就像拼拼圖的時候缺了一塊?！?/p>

值得慶幸的是，有幾位研究人員已經準備好要補上那塊缺失的拼圖了。其中一位是約翰霍普金斯大學的行星學家薩拉 · 霍斯特（Sarah H?rst），她花了數年時間在實驗室中重現土衛六上的甲烷霧霾，試圖以此來搞懂它（土衛六是土星的衛星之一，表面溫度極低）。受到GJ1214b光譜（她稱之為“科學史上最昂貴的平線”）的啟發，霍斯特改進了她的實驗設置，在更溫暖的系外行星條件下創造出了霧霾粒子。在焦慮的JWST觀測者們的要求下，霍斯特和她的同事們公布了眾人期待已久的測量結果，該結果揭示了粒子如何對光進行吸收和散射，為過時的模型提供了一次重要更新，也為觀測者理解被外星霧霾壓平和扭曲的光譜提供了一份指南?！拔覀儽仨氁嶒炇覐同F這些條件，”克萊德伯格說，“這確實是解決這個問題的關鍵?！?/p>

在實驗室中模擬光化學的嘗試可以追溯到1952年著名的米勒-尤里實驗，它試圖重現地球早期、生命起源之前的化學環境。20世紀70年代，康奈爾大學的行星學家卡爾 · 薩根（Carl Sagan）和比斯恩 · 卡哈（Bishun Khare）將這項實驗的范圍推廣到了太陽系的其他天體。他們通過將氮氣和甲烷氣體置于光和輻射之下，制造出了由長鏈碳基分子構成的黏性顆粒，并稱之為“托林”（tholins），這個詞在希臘語里的意思是“泥濘的”。（當時排第二名的候選名字是“星瀝青” ）。這些粒子可以幫科學家們解釋美國宇航局2015年“新視野”號在任務中捕捉到的彌漫在冥王星周圍的藍色光芒，而它們的有機復雜性則有助于推動人們在土衛六上尋找生命。

科學家們還使用了一系列儀器來研究這些粒子如何阻擋各種波長的光線——從X射線一直到微波。這項工作“可能做得有點太細致了”。吉恩 · 麥克唐納（Gene McDonald）當時是薩根實驗室的博士后，現在是得克薩斯大學奧斯汀分校的生物化學家。但正因為這項工作做得極為徹底，它的數據在半個世紀之后仍然很有價值。

薩根和卡哈展示了霧霾粒子如何將光散射到不同的方向，這會削弱星光穿過行星大氣層時的許多獨特的吸收特征。但是他們發現這種效應取決于粒子的大小和組成。例如，地球的天空之所以是藍色的，是因為大氣中小小的氮和氧分子優先散射較短的藍色波長的光，而云看起來呈白色，是因為它們由更大的水滴構成，而這些水滴會均勻地散射陽光。

研究人員發現，除了散射光之外，托林還可以吸收特定波長的光，它的每個分子鍵都會吸收光譜中的一小片。盡管系外行星的霧霾可能會蓋住表明大氣層氣體構成的跡象，但托林自身的吸收特征也提供了線索。如果相應的托林粒子曾在實驗室中得到過研究，人們就可以根據實驗中使用的氣體推斷出大氣成分。

“大多數時候，人們把這些粒子看作麻煩?！卑材缺な忻苄髮W的天文學家莉亞 · 科拉萊斯（Lia Corrales）說?？评R斯和同事們在預印本服務器“arXiv”上發表了一篇論文，文中表明，即使對實驗條件做微小的改動，也能產生具有不同光學性質的托林?！皻馊苣z本身就攜帶了一些（成分）信息，因為它們具有光譜形狀?！彼f。

為了從他們觀察的光譜中收集信息，天文學家需要找到一個比較點：一種給定的氣體、云和霧霾混合物的預測光譜?？茖W家們利用“行星光譜生成器”等計算機程序對假想的大氣層進行預測，據該程序的開發者、美國宇航局戈達德太空飛行中心（GSFC）的杰羅尼莫 · 維蘭紐瓦（Geronimo Villanueva）介紹，該程序每月的點擊量有時會超過100萬次。除了改變大氣成分，該程序的用戶還可以通過輸入霧霾或云層的光學特性來生成它們。

難點在于如何搞清楚這些特性。程序有云類的數據庫，但沒有不同霧霾的數據。事實上，大多數建模人員仍然依賴于40年前薩根-卡哈實驗中的托林的特性數據，但該實驗是為土衛六設計的，而土衛六所處的環境與大多數系外行星的大氣完全不同。一些人則選擇使用普通煤煙霾的數據，煤煙霾的特性的確經過了充分的研究，但也不太可能在系外行星上發現。馬里蘭大學帕克分校的天文學家伊莉莎 · 肯普頓（Eliza Kempton）表示：“我們的‘菜單’上基本就只有兩個選擇，除此之外就只能編了——我們只能猜測?！卞e誤的猜測就意味著可能會搞錯大氣的構成。維蘭紐瓦說，多年來，有關系外行星霧霾的知識空缺一直是“房間里的大象”。

康奈爾大學的天文學家妮科爾·劉易斯（Nikole Lewis）說，系外行星學和行星學之間的脫節延緩了填補這一空缺的努力。美國宇航局提供的資助項目是彼此獨立、互不聯系的?！拔覀冇脕硖剿魈栂敌行堑幕A設施是不能立即轉移給探索系外行星用的，”她說，“基本而言，我們只能靠制造聲勢，才能夠進行這些類型的實驗?！?/p>

于是，路易斯開始自己營造聲勢。當平坦得令人失望的系外行星光譜慢慢顯現出來時，劉易斯求助了讀研究生時的密友霍斯特，后者為了研究土衛六，正剛開始建造自己的托林實驗室。在一年的時間里，劉易斯致力于說服霍斯特改進她的設置，使用不同的氣體混合物和更高的溫度，為亟待研究的系外行星目標做準備。最終，在2016年，該團隊收到了來自美國宇航局一個新的系外行星研究項目的資金。她們準備好要制造一點外星瀝青了。“我們知道這些實驗將會非常非常困難，而且心里多少有點花了大錢之后的后悔情緒，”霍斯特笑著說，“我們為外星人可付出太多了?！?/p>

第一個挑戰是找出尚未被觀測到的大氣成分。首先，霍斯特和劉易斯將她們的研究范圍縮小到了超級地球，即質量是地球2到10倍的系外行星。（超級地球是銀河系中最常見的行星類型，也是JWST的主要觀測目標。）隨后，他們運行模型來預測可能存在于一系列溫度和體積成分中的大氣氣體。她們得到了12種原型，這些原型都是氫氣、水蒸氣和二氧化碳等氣體的假設性組合，理論上能夠代表真實的系外行星環境。

然后，實驗過程中也出現了障礙。首先，她們必須設法同時混合八到九種氣體，而其中許多氣體要么有毒、要么易燃，要么難以處理。接下來，不像模擬土衛六環境那樣需要將氣體冷卻，她們必須將混合物加熱到520℃以上。最難搞的是富含水分的行星：它們可能是生命的避難所，但是對于研究科學家何超來說，這讓他痛苦不已，因為他需要整夜不停地跋涉到實驗室去更換干冰。在適當的壓力下，低溫有助于水蒸發進入實驗箱。“我不得不給這個實驗當保姆，”他說，“這可不是什么開心事?！?/p>

當他打開某個閥門時，氣體混合物會沿著管道流下，繞著一個加熱線圈旋轉后，再流過一個水瓶大小的不銹鋼實驗箱。在實驗箱內，氣體被維持在輕壓力下，以模擬大氣層頂部的稀薄空氣。他會用紫外線照射實驗箱以模仿星光，或是用等離子體放電源對其進行輻照以模仿太陽風暴和宇宙射線。3到5天后，他抽出氣體，打開手套式密閉室內的實驗箱。他需要用勺子刮下箱壁上的托林，放進一個小瓶或碟子里。

研究小組本來擔心，這些設置上的修改可能無法制造出足夠她們研究的霧霾，也有可能會徹底毀掉設置。 “對薩拉來說，這是一次巨大的信念飛躍，”劉易斯說，“而它獲得了回報?！?/p>

研究人員使用顯微鏡、光譜儀和其他儀器測量了這些粒子的大小、光學性質和密度。很明顯，這些金色和橄欖綠色的樣品，與薩根和卡哈模擬土衛六時得到的褐色托林完全不同。部分實驗在沒有添加甲烷的情況下也產生了霧霾——盡管長期以來，甲烷一直被認為是這些大型有機分子的必要成分。另一個驚喜來自薩拉 · 莫蘭（Sarah Moran），莫蘭當時是霍斯特的研究生，現在是亞利桑那大學的天文學家，她把樣本帶到了位于法國格勒諾布爾的行星學和天體物理學研究所。（去的路上，她祈禱自己不會因為行李箱里的“顏色詭異的古怪粉末”而被海關攔下。）在那里，莫蘭發現這些托林似乎含有氨基酸和堿基——構成生命的基本成分。

這可能并非巧合——一些研究人員認為，霧霾可能是啟動生命的關鍵因素。2017年，戈達德太空飛行中心的天體生物學家賈達 · 阿尼（Giada Arney）模擬了早期地球上霧霾的行為，她認為早期地球在“我們擁有地化數據的行星里，是我們最陌生的”。

人們認為，在數十億年前的那個時候，地球的大氣主要由氮氣構成，還有一些二氧化碳、甲烷和水蒸氣。這個配方會產出類似于土衛六的有機霧霾和今天地球上的水云。阿尼運行了氣候模型來模擬這些氣溶膠對類地行星的影響。她發現，霧霾不僅有復雜的有機化學物質，有些霧霾還能反射光線，幫忙防止行星過熱，而另一些霧霾則能夠減少行星表面高達97%的紫外線。這兩種效應都可能讓系外行星變得更適宜居住。

她還發現，某些霧霾只有在大氣中含有大量甲烷時才會形成，而這個數量級的甲烷一定是由活的生物體產生的。阿尼說，這種霧霾本身可能就是一種生物特征，而這種特征也許是JWST能夠探測到的。但是她說，要想探測到它，沒有“一個內容豐富翔實的霧霾光學特性資料庫”是不行的。

最終，她的心愿實現了。2023年1月10日，霍斯特和他的同事在arXiv上發布了一項研究，揭示了她們制造的兩種系外行星托林在整個JWST觀測波長范圍內的光學特性。這兩種托林是在溫暖、富含水分的大氣層中產生的，這種大氣層產生的霧霾最多。

研究小組計劃制造更多的霧霾類似物，將它們的實驗條件與即將收到的JWST的觀測結果進行對比，并對產量最多的托林進行編目。高說，系外行星天文學家們正迫切地想要得到他們手中的數據?！拔覀円呀浀攘诉@數據幾十年了，真的，”他說，“薩拉的成果會立刻被世界各地的團體用上?！?/p>

不過，霍斯特的實驗只能探索無數可能的行星環境里的很小一部分。還好，她不是這場“托林游戲”里唯一的玩家。在美國宇航局的噴氣推進實驗室（JPL），本杰明 · 弗勒里（Benjamin Fleury）正在探索更熱的系外行星上可能形成哪種霧霾，這類巨大的、近在咫尺的“熱木星”的溫度要超過1 200℃。在巴黎附近的大氣、周圍環境及宇宙觀測實驗室（LATMOS），科學家們對土衛六霧霾實驗做了改進——比如加入氧氣——以讓實驗環境接近類地系外行星上可能存在的環境。

一些研究人員則在關注系外行星云，比如普渡大學的大氣科學家亞歷山德里婭 · 約翰遜（Alexandria Johnson），她在一間密封艙中制造和研究云。她想知道云和霧霾在系外行星上是如何相互作用的，例如，霧霾粒子是否可能通過提供氣體凝結所需的“成核位點”來促進云的形成。大氣、周圍環境及宇宙觀測實驗室團隊的行星學家托馬斯 · 戈蒂埃（Thomas Gautier）說，實驗的多樣性是至關重要的?！皼]有誰會試圖宣稱我們做得比其他團隊更好——每個團隊的做法都不一樣，這是一件好事。”

不過，只有在大家有了共識、進度一致的情況下，這樣劃分工作才會有所回報。得克薩斯大學圣安東尼奧分校的余馨婷最近發起了第一項跨實驗室的托林比較研究，這項研究將使托林的生產和測量技術標準化，增強業內研究人員對實驗結果的信心。與此同時，美國宇航局艾姆斯研究中心的埃拉 · 夏馬-奧布萊恩（Ella Sciamma-O’Brien）正在建立一個集中數據庫，以便不同團隊存放他們的光學測量結果。

隨著JWST的新觀測數據大量涌入，這類合作成果將會變得非常有用。JWST的觀測數據中也會包括對GJ1214b的觀測資料，這顆行星是這一切的始作俑者。2022年7月，肯普頓、克萊德伯格和她們的同事們花了40個小時在望遠鏡上觀察它。她們仍在分析觀測結果，但是，多虧了JWST的紅外成像技術和這些實驗性霧霾的幫助，克萊德伯格期待著能夠破譯她那么久以來始終未能得見的大氣層。

“這顆行星有點像白鯨——我們已經追尋它的秘密十多年了，”克萊德伯格說，“我想這次我們終于抓住它了?！?/p>

資料來源 Science