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除了比以往看到更遠(yuǎn)的宇宙之外，JWST還將捕捉到我們自己星系中天體的最詳細(xì)視圖。例如，它將把銳利的目光投向銀河系中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的5000顆系外行星中的一些。通過(guò)利用望遠(yuǎn)鏡的光解析精度，天文學(xué)家們正在對(duì)這些附近的一些世界周?chē)拇髿鈱舆M(jìn)行解碼。一個(gè)行星是如何形成的以及它是否有生命跡象的線索可以從它們的大氣層屬性中解讀出來(lái)。

(資料圖)

然而，麻省理工學(xué)院（MIT）的一項(xiàng)新研究表明，天文學(xué)家通常用來(lái)解碼基于光的信號(hào)的工具可能不足以準(zhǔn)確解釋新望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)。具體來(lái)說(shuō)，研究人員說(shuō)，不透明度模型--這些工具將光與物質(zhì)的相互作用作為物質(zhì)屬性的函數(shù)來(lái)建模--可能需要進(jìn)行重大調(diào)整，以匹配JWST數(shù)據(jù)的精度。

如果這些模型沒(méi)有被完善？科學(xué)家們預(yù)測(cè)，行星大氣的屬性，如其溫度、壓力和元素組成，可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)數(shù)量級(jí)的偏差。

研究的共同負(fù)責(zé)人Julien de Wit說(shuō)：“像水這樣的化合物存在于5%和25%之間存在著科學(xué)上的重大區(qū)別，而目前的模型無(wú)法區(qū)分。”他是麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系（EAPS）的一名副教授。

“目前，我們用來(lái)解密光譜信息的模型還達(dá)不到我們從詹姆斯-韋伯望遠(yuǎn)鏡獲得的數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量，”EAPS研究生Prajwal Niraula補(bǔ)充道。“我們需要提高我們的游戲水平，一起解決不透明的問(wèn)題。”

De Wit、Niraula和他們的同事已于9月15日在《自然-天文學(xué)》雜志上發(fā)表了他們的研究。共同作者包括光譜學(xué)專(zhuān)家Iouli Gordon、Robert Hargreaves、Clara Sousa-Silva和哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的Roman Kochanov。

不透明度是衡量光子通過(guò)一種材料的容易程度。取決于它們是否以及如何與材料中的某些分子相互作用，某些波長(zhǎng)的光子可以直接穿過(guò)材料，被吸收，或被反射出去。這種互動(dòng)也取決于材料的溫度和壓力。

不透明度模型的工作基礎(chǔ)是關(guān)于光如何與物質(zhì)互動(dòng)的各種假設(shè)。天文學(xué)家使用不透明度模型來(lái)推導(dǎo)材料的某些屬性，給定材料發(fā)出的光的光譜。在系外行星的背景下，不透明度模型可以根據(jù)望遠(yuǎn)鏡捕捉到的來(lái)自行星的光來(lái)解碼行星大氣中化學(xué)物質(zhì)的類(lèi)型和豐度。

De Wit將目前最先進(jìn)的不透明度模型比作一個(gè)經(jīng)典的語(yǔ)言翻譯工具。他說(shuō)它在解碼哈勃太空望遠(yuǎn)鏡等儀器拍攝的光譜數(shù)據(jù)方面做得不錯(cuò)。

“到目前為止，這塊羅塞塔石碑一直做得很好，”De Wit說(shuō)。“但是現(xiàn)在我們要以韋伯的精度進(jìn)入下一個(gè)層次，我們的翻譯過(guò)程將使我們無(wú)法捕捉到重要的細(xì)微之處，例如那些使一個(gè)星球是否適合居住的區(qū)別。”

他和他的同事在他們的研究中提出了這一點(diǎn)，他們?cè)谘芯恐袑?duì)最常用的不透明度模型進(jìn)行了測(cè)試。科學(xué)家們想看看，如果對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，假設(shè)我們對(duì)光和物質(zhì)如何相互作用的理解存在某些限制，那么模型會(huì)得出什么樣的大氣特性。研究人員創(chuàng)建了八個(gè)這樣的“擾動(dòng)”模型。然后他們給每個(gè)模型，包括真實(shí)的版本，提供了"合成光譜"--由研究小組模擬的、類(lèi)似于JWST將看到的精度的光線模式。

他們發(fā)現(xiàn)，基于相同的光譜，每個(gè)擾動(dòng)的模型對(duì)行星大氣層的屬性產(chǎn)生了廣泛的預(yù)測(cè)。基于他們的分析，研究小組得出結(jié)論，如果現(xiàn)有的不透明度模型被應(yīng)用于韋伯望遠(yuǎn)鏡拍攝的光譜，它們將遇到"準(zhǔn)確性的墻"。也就是說(shuō)，它們將不夠敏感，無(wú)法分辨出一顆行星的大氣溫度是300開(kāi)爾文還是600開(kāi)爾文，或者某種氣體占大氣層的5%還是25%。

Niraula說(shuō)：“為了使我們能夠約束行星的形成機(jī)制并可靠地識(shí)別生物特征，這種差異很重要。”

研究小組還發(fā)現(xiàn)，每個(gè)模型也都與數(shù)據(jù)產(chǎn)生了“良好的擬合”。這意味著，即使一個(gè)被擾動(dòng)的模型產(chǎn)生了一個(gè)研究人員知道是不正確的化學(xué)成分，它也從該化學(xué)成分中產(chǎn)生了一個(gè)與原始光譜足夠接近或“適合”的光譜。

“我們發(fā)現(xiàn)有足夠的參數(shù)可以調(diào)整，即使有一個(gè)錯(cuò)誤的模型，仍然可以得到一個(gè)很好的擬合，這意味著你不會(huì)知道你的模型是錯(cuò)誤的，它所告訴你的是錯(cuò)誤的，”de Wit解釋說(shuō)。

他和他的同事提出了一些如何改進(jìn)現(xiàn)有不透明度模型的想法，包括需要更多的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和理論計(jì)算來(lái)完善模型對(duì)光和各種分子如何相互作用的假設(shè)，以及跨學(xué)科的合作，特別是天文學(xué)和光譜學(xué)之間的合作。

“為了可靠地解釋來(lái)自不同系外行星大氣的光譜，我們需要一個(gè)廣泛的活動(dòng)，對(duì)相關(guān)的分子光譜參數(shù)進(jìn)行新的精確測(cè)量和計(jì)算，”研究報(bào)告的共同作者、哈佛-史密森天體物理學(xué)中心的物理學(xué)家Iouli Gordon說(shuō)。“這些參數(shù)將需要及時(shí)落實(shí)到參考光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而落實(shí)到天文學(xué)家使用的模型中。”

“如果我們完全知道光和物質(zhì)是如何相互作用的，有很多事情可以做，”Niraula補(bǔ)充說(shuō)。“我們?cè)诘厍蛑車(chē)臈l件下知道得足夠好，但是一旦我們轉(zhuǎn)移到不同類(lèi)型的大氣層，事情就會(huì)發(fā)生變化，這就是大量的數(shù)據(jù)，質(zhì)量越來(lái)越高，我們有可能被誤讀。”

關(guān)鍵詞：不透明度相互作用天文學(xué)家