如何识别地外熔岩世界系外行星的大气？

　　一个艺术家的概念，恒星烧焦其附近的系外行星。新的研究表明，老化的红巨星非但不会毁灭生命，反而会使冰冻的世界变得温暖，成为可居住的家园。Credit: ESO/L. Calada

　　据莱顿大学（多琳·申克）：在过去的30年里，我们在太阳系之外发现了5000多颗行星。一个常见的系外行星是熔岩世界，一个拥有液态熔岩海洋的炽热超级地球。曼塔斯·齐林斯卡开发了模型来模拟这些世界可能的大气。这些模拟为天文学家利用詹姆斯·韦伯太空望远镜搜索这些大气提供了指导。Zilinskas将于5月24日星期三获得博士学位。

　　大多数观测到的系外行星都不像我们太阳系中的八种植物。例如，有热木星，气态巨行星比水星到太阳更靠近它们的母星，以及嘴侧熔岩世界，它们比地球大，围绕它们的母星如此之近，以至于熔岩海洋流动。

　　Mantas Zilinskas说，我们对这些遥远的世界知之甚少。天文学家可以根据质量、半径和离母星的距离来估计一些特征。但这并没有给出一个完整的画面。为了更多地了解它们的大气层，天文学家们使用了光谱学。在这项研究中，他们测量了来自母星的光线，这些光线穿过系外行星的大气层，然后传播到地球。大气中的分子和原子吸收独特颜色的光。这为每颗系外行星创造了一个独特的指纹，通过它你可以知道它的大气中含有什么物质。

　　但是从光谱观测中推导出这些特性并不容易。这就是为什么像Zilinskas这样的理论天体物理学家创建数学模型来预测某些特性如何转化为观测结果。“我计算天文学家可能观察到的东西，”他解释道。“我模拟的目的是告诉天文学家要寻找什么，以及这能告诉他们关于系外行星的什么。”

　　Zilinskas将他的博士研究重点放在熔岩世界的大气上，并用2021年底发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜进行观察。“这些大气还没有被探测到，但是我们认为它们是存在的。事实上，富含硅酸盐的气体可以从熔岩海洋中蒸发出来，形成稀薄的大气，”他说。“我们正试图使用模型来预测这些大气的化学成分和重要属性，如温度变化。我们研究它是如何影响光谱的。”

　　为此，Zilinskas使用了所谓的一维模型，该模型假设大气中最大的化学变化发生在垂直方向——从上到下——而不是水平方向。模型计算每个点的化学条件。Zilinskas将其与辐射传输模型相结合，计算来自母星的光如何穿过大气层，以及光谱在这个过程中如何变化。

　　“也有二维和三维模型，但这些需要大量的时间和计算能力，”Zilinskas说。“此外，我们对熔岩世界知之甚少，更快、更灵活的一维模型让我们可以自由地研究许多不同的、可能的大气成分。”

　　模拟显示，詹姆斯·韦伯太空望远镜可以观察熔岩世界的大气，如果它们存在的话。“这也显示了这台太空望远镜向前迈进了一大步，”Zilinskas说。

　　目前，太空望远镜仍在观测系外行星，包括熔岩世界。Zilinskas说，“我希望我的博士研究可以作为未来观察熔岩世界大气的指南。”