藝術家渲染的對比天空可能存在於我們太陽系之外的行星上。我們系統的海王星大小的許多系外行星都有很高的雲層覆蓋，如左圖所示，阻止我們的儀器探測更深的分子。但是一顆名為HAT-P-11b的行星被發現具有清晰的高層大氣，正確，允許檢測水分子。圖片來源：NASA / JPL-Caltech。
我們看到他們的陰影，但他們的舞蹈只是遙不可及：成千上萬的行星在他們的母星的眩光中迷失了。
篩選這些行星以尋找生命跡象將意味著從它們的大氣中捕捉光線，將其分成彩虹光譜，然後搜索那些色帶以尋找熟悉的天空痕跡。大獎：來自一個小的，多岩石的世界的讀數，顯示氧氣，甲烷和二氧化碳。一種讓我們想起家的氛圍; 超越地球生命的堅實案例。
我們探索這些超凡脫俗的天空並尋找生命跡象的能力剛剛開始 - 狩獵的科學家稱之為“生物印記”。到目前為止，我們的儀器有些粗糙。我們可以分解來自大而熱的行星的光線，在距離數百光年遠的地方焚燒氣體巨石，並閱讀它們的一些大氣特性。較小的行星也開始被分析。
在未來的歲月裡，發送到太空的更敏感的儀器可以測量來自地球大小世界的光來清點他們的大氣層，也許可以找到一個活生生的呼吸星球的證據。
但要為這些未來的發現奠定基礎，必須在地球和我們自己的太陽系中做很多工作。美國宇航局的科學家正在創建外星人，系外行星大氣的計算機模型，部分基於我們對地球大氣層以及離家更近的世界的理解：火星，金星，木星和土星，甚至土星的月亮，泰坦的寒冷，煙霧瀰漫的天空。
一路上，我們正在學習更多關於我們的家園星球以及其他灑在銀河系中的星球; 研究地球的科學家和這些遙遠的系外行星正在學習如何一起工作。
美國宇航局位於加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室的系外行星研究科學家蒂芙尼卡塔里亞說：“現在是參與系外行星的激動人心的時刻。” “當我這樣做時，我很高興進入這個領域。”
WASP-121b的例證，一個“熱木星”軌道非常接近它的母星。包括美國宇航局噴氣推進實驗室的Tiffany Kataria在內的一個研究小組發現了這顆系外行星的平流層。圖片來源：Engine House VFX，At-Bristol科學中心，埃克塞特大學。
Kataria創建了計算機模型，以更好地瞭解大型天然氣巨頭的氣氛。她說，早期的結果揭示了這些大氣的一些結構和組成部分，例如在稱為WASP-107b的“熱木星”的炎熱天空中的氦氣。
儀器和建模都在迅速改進。根據最近的一項估計，空間和地面望遠鏡的技術進步可以在2030年之前發現可居住的系外行星大氣層。
但即使望遠鏡的視野變得更加清晰，系外行星的科學家們也逐漸認識到環境和歷史的重要性。
尋找其他世界生活的證據需要知道我們正在尋找什麼; 反過來，這意味著不僅要了解地球是如何形成的，而是來自它的來源，它的行星鄰居的性質，以及太陽和其他恆星如何確定它們所統治的行星的性質。
“現在是我們這些具有太陽系背景的人利用我們研究太陽系的專業知識並將其應用於研究系外行星的時候了，” 華盛頓大學教授維多利亞梅多斯說，他也是美國宇航局天體生物學研究所虛擬行星的首席研究員。實驗室。
來自家庭的照片：瞭解我們的系統，瞭解他人
梅多斯和她的研究人員正在對系外行星研究開闢了廣闊的空間，遠遠超出了對地球的超凡脫俗類比的建模。
“我們更進一步：太陽系作為（其他）行星系統的模擬，”她說。
拿金星。地獄般的浪費氣氛可能曾經是良性的，甚至可能適合居住。
“維納斯對我們來說是一個負面的例子，”她說。“導致金星失去居住能力的過程是一個失控的溫室。”
金星作為一個燒烤行星的命運 - 具有高壓大氣層，硫酸雲和足以熔化鉛的表面 - 可能為我們提供了遠遠超出我們太陽系的其他類地行星的教訓。
藝術家對TRAPPIST-1系統中七個行星的看法。所有這些都像地球一樣小而多岩石，但它們是否具有大氣或海洋是迄今未知的。圖片來源：NASA / JPL-Caltech。
其中有七顆地球大小的行星繞著一顆叫做TRAPPIST-1的小矮紅星。這個距離為40光年遠的緊密系統提供了一個“精彩的實驗”，她說，這些恆星對圍繞它們的近地軌道上的行星產生的影響。
紅矮星，或“M-dwarfs”，在它們的生命早期就會發出強烈的輻射。
“他們有氣氛嗎？”梅多斯問TRAPPIST-1行星。“在這個過程中有什麼生存？它們（二氧化碳）是否占主導地位，如金星，或氧氣占主導地位？“
維納斯 - 梅多斯的早期最愛，他作為博士後研究員研究這個星球 - 可能在其歷史早期失去了蒸發的海洋。
“看看維納斯，這個世界發生了什麼，”她說。“如果確實失去了海洋，它發生了什麼？這是我們應該詢問的有關TRAPPIST-1和Venus的問題。“
為了在尋找生命方面進一步奠定基礎，系外行星科學家必須同時瞭解時間和空間。對於遙遠的觀察者來說，地球看起來像是什麼樣的，比如現在的四分之一 - 只有大約10億年？
生命可能存在於嬰兒地球上，但不依賴於氧氣，氧氣還不是其大氣的重要組成部分。
奇怪的世界'就像我們以前見過的一樣'
而系外行星的科學家們不僅要試著去了解熟悉的地球及其太陽系兄弟姐妹，而且要非常陌生。
哈佛大學天體物理中心的系外行星研究員Laura Kreidberg說：“我們的測量越準確，我們的模型就越難以適應。”
她說，沒有理由認為系外行星的氣氛會比地球更復雜。許多人很可能被厚厚的陰霾所掩蓋，就像土星的衛星土衛六。有些可能含氧很重但根本沒有生命。
有些人可能會如此炙熱，他們藏著蒸發的岩石雲。
雖然對系外行星的研究表明，地球大小範圍內的世界在銀河系中很常見，但它們的大氣層可能非常不同。
“在很多情況下，系外行星看起來就像我們以前從未見過的那樣，”克雷德伯格說。“不同的溫度，不同的質量，不同的轉速。它們中的很多都是潮汐鎖定，在一側連續照射而不是旋轉。“
被稱為“熱木星”的系外行星的插圖 - 類似於我們的木星，但在它們的恆星附近的軌道上。圖片來源：NASA / ESA。
Kreidberg是最近一篇論文的合著者，該論文詳細描述了一種被稱為“超射星木”的行星的令人驚訝的觀察。他們是像我們的木星一樣的氣體巨人，但它們的軌道離它們的恆星很近，以至於它們的氣氛都是低劣的。
Kreidberg和她的團隊使用哈勃和斯皮策太空望遠鏡來檢查其中一個，WASP-103b。
克里德伯格說：“有關超高行星令人費解的一件事就是神秘的缺水。” 水似乎無處不在，包括在行星上比這些超級木星略重一點。為什麼不在WASP-103b上呢？
科學家使用光譜學 - 通過它們對光的影響，在行星大氣中對各種類型的分子進行指紋識別 - 以檢查水分子的行為。他們發現，在這個燃燒的行星的日子裡，水的作用非常不同，這個行星永遠鎖定在它的面上，面向它的恆星。
克雷德伯格說：“水非常熱，水分離 - 它在白天就會崩潰。”
水的氫和氧原子彼此撕裂，這個過程以前認為只發生在恆星的大氣中。
克里德伯格說：“白天分離的水被風吹到了夜晚。” “然後它重新組合形成水。它回來了，並再次分離。這是一個非常暴力的水分子生命週期。“
就目前而言，哈勃的光譜能力雖然足以揭示遙遠的熱木星上水分子的奇異死亡和重生，但卻過於生硬，無法解決可能變成類似地球的小型岩石世界的氣氛。
未來：用光來探測大氣
計劃於2021年發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡應該足夠靈敏，可以分離來自超級地球或迷你海王星大氣層的光譜 - 這些行星大小在銀河系中很常見，但奇怪的是我們的太陽系不存在。
韋伯望遠鏡也可能在TRAPPIST-1行星上進行訓練，可能會讀取其大氣中存在的分子。
與此同時，美國宇航局的科學家和工程師已經在努力設計未來的太空望遠鏡，這些太空望遠鏡最終應該露出其他地球的天空。
即使在近期，韋伯望遠鏡的發現似乎肯定會改變我們對系外行星大氣層的理解。
“在接下來的五年裡，一切都將徹底改變，”克雷德伯格說。“我不知道會發生什麼 - 沒有 - 這是一個非常令人興奮的地方。”
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