中国科大揭示系外行星气溶胶光学性质助力外星生命探索

  近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院的何超特任教授与多位国际学者合作，在实验室中还原了富含水的系外行星大气条件，合成了类似行星大气中可能存在的有机气溶胶，并成功获得了气溶胶颗粒的光学常数，这对解读系外行星的观测数据和寻找外星生命信号具有重要意义。相关研究成果以“Optical Properties of Organic Haze Analogues in Water-rich Exoplanet Atmospheres Observable with JWST”为题在国际学术期刊《Nature Astronomy》上发表。

  迄今为止，人类已经发现了超过五千颗的系外行星（图1），而科学家们正在努力观测这些行星，试图了解它们的宜居性以及是否可能存在外星生命。在这一过程中，水成为了首要关注的因素。已有观测表明，一些系外行星大气中存在水。实验室研究和理论模拟提示，这些富含水的行星大气中可能含有气溶胶，即悬浮在大气层中的固体小颗粒。这些颗粒会改变光与气体相互作用，遮蔽系外行星大气化学和分子特征，从而改变科学家们通过望远镜观测行星时能够检测到的信息。因此，气溶胶在系外行星大气中的存在可能对观测结果产生深远影响，而气溶胶的光学特性对于解读系外行星的观测结果至关重要，但目前严重缺乏气溶胶的光学性质数据，尤其是富含水的行星大气中可能存在的气溶胶。

图1.目前发现的5000多颗系外行星的不同类型分布（左）和可能宜居的系外行星（右）

  针对这一问题，何超特任教授领衔的国际合作团队通过自主设计实验装置，利用等离子体或者紫外光辐照富含水蒸气的气体混合物，成功模拟了恒星的光引发的大气化学过程，产生了大量的有机气溶胶颗粒。通过在真空条件下测量这些颗粒物从红外到可见光波段的透射和反射光谱（图2），研究团队获得了颗粒物的化学成分信息和光学常数数据，以更好地了解它们在大气中与光相互作用方式。这项研究为富含水的大气观测提供了必不可少的信息。研究团队利用新的数据拟合哈勃望远镜对系外行星GJ 1214 b的观测，发现新的数据可以比以前的研究更准确地匹配天文观测结果（图3），展示了气溶胶光学特性对分析和解读观测数据的重要性。

图2.实验室合成气溶胶的透射光谱

  未来，韦伯太空望远镜和其他大型望远镜任务将对各种类型的系外行星大气进行观测表征。不同大气中的气溶胶组分和光学性质有明显区别，利用不相符的气溶胶光学数据去分析观测数据，可能导致对珍贵观测数据的误读或者对潜在生命信号的误判。研究团队表示，他们将进一步模拟各种不同类型的系外行星大气条件，产生更多种类的气溶胶并获得它们的光学性质，以更好地理解观测数据和系外行星的多样性。

图3.利用新的气溶胶光学数据对系外行星GJ 1214 b哈勃望远镜观测结果的拟合

  对于远离地球的系外行星，了解其大气成分和性质是科学家们寻找生命迹象的必要步骤。这一研究结果为天文学家提供了一种新的工具和视角，使他们能够更准确地解释来自遥远系外行星的光谱数据，为外星生命的探索提供了有力支持。同时气溶胶的光学性质还会影响行星气候、大气和表面温度，因此这项研究还有助于理解系外行星的宜居性。

  论文第一和通讯作者为中国科学技术大学何超特任教授，合作者来自美国约翰霍普金斯大学、亚利桑那大学、康奈尔大学、太空科学研究所、美国宇航局艾姆斯研究中心、马里兰大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、太空望远镜科学研究所，和法国的格勒诺布尔-阿尔卑斯大学。

全文链接： https://www.nature.com/articles/s41550-023-02140-4