确定系外行星质量的新技术

行星传输光谱的艺术渲染。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）/麻省理工学院（Julien de Wit）

麻省理工学院的研究人员开发了一种仅使用渡越信号来确定系外行星质量的新技术，可帮助研究人员确定无法以其他任何方式测量的系外行星质量。

迄今为止，科学家已经确认了太阳系外有900多颗系外行星存在。要确定这些遥远的世界是否可居住，需要知道系外行星的质量-这可以帮助告诉科学家行星是由天然气还是由岩石和其他维持生命的材料制成的。

但是目前估算系外行星质量的技术是有限的。径向速度是科学家使用的主要方法：由于行星的引力将恒星的轨道拉动，因此在恒星轨道上会产生微小的摆动，科学家便可以从中得出行星与恒星的质量比。对于非常大的，海王星大小的行星，或运行于非常接近明亮恒星的较小的地球大小的行星，径向速度的效果相对较好。但是，这种技术对于像地球一样绕着更远的恒星运行的较小行星的成功率不高。

现在，麻省理工学院的科学家们已经开发出了一种仅使用飞越信号确定行星系质量的新技术，即行星经过恒星前方时会浸入光中。传统上，这些数据用于确定行星的大小和大气性质，但是MIT小组已经找到了一种解释它的方法，以便它也可以揭示行星的质量。

“通过这种方法，我们意识到，行星质量-一个关键参数，如果缺失，可能会阻止我们评估下一个十年中第一个可能可居住的地球大小行星的可居住性-实际上，它连同大气层都是可访问的麻省理工学院地球，大气与行星科学系的研究生Julien de Wit说。

De Wit是今天发表在《科学》杂志上的论文的主要作者，并且是1941年级物理学与行星科学教授Sara Seager的合著者。

从光估计质量

除了行星的组成之外，它的质量还可以让您瞥一眼行星的表面和内部活动。

德·威特说：“质量影响着行星的一切，例如板块构造，内部冷却和对流，它如何产生磁场以及气体是否从大气中逸出。”“如果您不明白这一点，那么地球的大部分特性都无法确定。”

使用NASA的Spitzer或Hubble太空望远镜等大型望远镜，科学家已经能够分析新发现的系外行星的透射光谱。行星在其恒星前方通过时会产生透射光谱，从而使一些光穿过其大气层。通过分析通过的光的波长，科学家可以确定行星的大气特性，例如其温度和大气分子的密度。根据被阻挡的光总量，他们可以计算出行星的大小。

麻省理工学院的研究人员解释了系外行星或太阳系外行星到底是什么，为什么我们要研究它们以及如何发现它们。

为了利用透射光谱法确定系外行星的质量，德维特依靠行星质量对其大气的影响，因为透射光谱可以提供有关行星大气特性的信息。为此，他使用一个标准方程式进行工作，该方程式描述了行星的温度，重力和大气密度对其大气压力曲线（压力在整个大气中变化的程度）的影响。

根据此等式，知道这些参数中的任何三个将揭示第四个参数。由于可以通过引力得出行星的质量，德威特认为，可以从大气温度，压力分布和密度（原则上可以从透射光谱获得的参数）得出行星的质量。

但是为了获得对行星质量的精确测量，德维特必须证明这三个参数可以彼此独立地获得，而仅是从透射光谱中获得的。

释放行星的质量

为了证明行星的温度，压力分布和大气密度可以独立于透射光谱得出，德维特必须证明每个参数对透射光谱都有独特的影响。De Wit从辐射传递的最初原理进行了新的分析推导，发现18世纪的数学常数Euler-Mascheroni常数有助于揭示每个参数的间接影响。换句话说，此常数充当“加密密钥”，用于解码将行星大气的特性嵌入其传输光谱中的过程。

de Wit说：“它确实可以帮助您解锁所有内容，并从这些疯狂的方程式中揭示出哪些大气特性起着什么作用以及如何发挥作用。”“您在许多物理问题中发现了这个常数，很高兴看到它再次出现在行星科学中。”

为了测试该方法，德威特将该技术应用于了最近发现的系外行星，即189733b，它位于63光年以外。根据他的计算，德威特提出了与其他人使用径向速度获得的质量测量相同的质量测量。

利用诸如詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）之类的未来高分辨率太空望远镜的规格，这是一种旨在研究系外行星大气的仪器，作者表明，这项新技术将能够表征较小的，地球大小的质量和大气特性。行星。

美国宇航局喷气推进实验室的研究科学家马克·斯温（Mark Swain）表示，该小组的新技术将对确定类地行星的组成以及最终的宜居性非常有帮助。

“知道质量是难题的一个非常重要的部分，”未参与研究的斯温说。“如果您发现行星的组成几乎可以肯定是固体，需要将大量的水与硅酸盐核混合在一起，并且您知道行星具有适度的区域温度，那么可能是深入研究的一个好例子这个世界，因为它看起来像是一个宜居星球的成分。”

出版物：Julien de Wit和Sara Seager，“通过透射光谱法约束系外行星质量”，《科学》，2013年12月20日：卷342号6165页1473-1477; DOI：10.1126 / science.1245450

图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）/麻省理工学院（Julien de Wit）

转载自麻省理工学院新闻