更小的地面望远镜也可以研究系外行星的大气层_科学世界

了解系外行星的下一步是更好地了解它们的大气层。天文学家可以相当常规地确定一颗行星的质量、密度和其他物理特征。但要描述它们的大气层就复杂得多了。

天文学家已经成功地研究了系外行星的大气层，像詹姆斯·韦伯太空望远镜和欧洲航天局的ARIEL任务这样的航天器将会有很大的帮助。但是，已经确认的系外行星有数千颗，还有更多的，韦伯望远镜在时间上有很多要求。

更小的地面望远镜能在了解系外行星的大气中发挥作用吗?

我们对系外行星的所有了解都来自光。一颗系外行星通过使其恒星发出的光稍微变暗来表明它的存在。天文学家还可以通过恒星光来测量这颗系外行星的质量、大小和密度，因为这颗行星对其恒星的牵引力非常小，导致了恒星光的微小变化。需要强大的集光望远镜和仪器来测量这些光的波动。

研究系外行星的大气层需要类似水平的技术力量和复杂性。天文学家可以通过观察穿过行星大气层的星光来确定一些系外行星的大气成分。他们用摄谱仪来做这个。

世界上最大的天文台都有高分辨率的摄谱仪。例如，ESO的超大望远镜(VLT)就有浓缩光谱仪。但是比起像VLT这样的大望远镜，还有很多小望远镜。一篇新论文的作者认为，如果配备了强大的摄谱仪，一些较小的望远镜可以推进对系外行星大气的研究。

The four Unit Telescopes that make up the ESO's Very Large Telescope, at the Paranal Observatory> Image: By ESO/H.H.Heyer [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)], via Wikimedia Commons

这张图片显示了在帕拉纳天文台>的四个单元望远镜，它们组成了ESO的超大望远镜Heyer [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)]， via Wikimedia Commons

这篇论文的标题是“通过中等大小的望远镜观测高分辨率的系外行星大气”。MASCARA-2b和KELT-9b中的Fe II和北欧光学望远镜上的FIES。”丹麦技术大学系外行星小组的博士生亚伦·贝罗-阿鲁夫(Aaron Bello-Arufe)是第一作者。《天文学与天体物理学》杂志已经接受了这篇论文，并将发表。

FIES代表纤维馈电阶梯摄谱仪。这是一个梯形光谱仪，就像在更大的VLT上的ESPRESSO仪器。这是加那利群岛拉帕尔马2.56米高的北欧光学望远镜(NOT)的最新装备。作者写道:“我们的工作证明了使用FIES研究系外行星大气的可行性，这可能会开启更多的大气探测，使用安装在类似大小的望远镜上的这个和其他高分辨率光谱仪。”

The Nordic Optical Telescope (NOT) telescope at Roque de los Muchachos Observatory in June 2001. The telescope's primary mirror is 2.56 meters but the FIES spectrograph adds to the telescope's capabilities. Image Credit: By Bob Tubbs - Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=79707

这张照片显示的是2001年6月在Roque de Los Muchachos天文台的北欧光学望远镜(NOT)。望远镜的主镜是2.56米，但FIES光谱仪增加了望远镜的能力。图片来源:Bob Tubbs -自己的作品，公有领域，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=79707

MASCARA-2b，也被称为Kelt-20b，是一颗围绕a型恒星运行的热木星。天文学家在2017年发现了它。2022年，天文学家宣布在这颗行星的大气层中发现了水蒸气和一氧化碳。

2016年，天文学家在这项研究中发现了另一颗恒星Kelt-9b。它也是一颗热木星，也围绕一颗a型恒星运行。

作者写道:“在这项工作中，我们试图证明2米级望远镜的摄谱仪在高分辨率下描绘系外行星大气的能力。”他们专注于MASCARA-2b和Kelt-9b，因为天文学家已经用更强大的光谱仪研究了这两颗热木星，这让他们有了比较结果的东西。热木星也是光谱学研究的主要目标:它们体积大，离它们的恒星很近，使得光线在穿过大气层时更容易观察。

An artist's illustration of an ultra-hot Jupiter orbiting close to its star. Image Credit: Gabriel Pérez Díaz, SMM (IAC).

这幅艺术家的插图展示了一个超热的木星，它的轨道靠近它的恒星。图片来源:加布里埃尔Pérez Díaz, SMM (IAC)。

之前的研究是通过竖琴- n等光谱仪在这些行星的大气中发现铁的，这些光谱仪安装在直径为3.58米的伽利略望远镜上。作者写道:“我们的目标是使用FIES重复检测大气中性铁和电离铁(Fe I和Fe II)在这些高温行星的透射光谱中最近的工作。”

该团队观测到了MASCARA-2b的两次凌日和Kelt-9b的一次凌日。他们在这两个行星的大气层中探测到了大气中的Fe II。他们也在两个大气中检测到了Fe I，但他们不确定这个信号是否能从噪声中脱颖而出。他们写道:“尽管这些信号来自行星似乎是合理的，但我们认为，由于存在额外的高信噪比信号，我们需要更多的数据才能声称探测到Fe I。”

作者们相信，配备现代摄谱仪的小型地面望远镜可以成功地研究系外行星的大气层。

他们在结论中写道:“我们的结果证明了使用FIES/NOT在高光谱分辨率下研究大气的可行性。”他们写道:“FIES具有描述系外行星大气所需的稳定性和精度。”FIES是在一个独立的建筑，从热和机械上隔离。

自进行这些观察以来，FIES已得到升级，现在甚至更有能力。“此外，我们注意到，这项工作中分析的数据是在最近重新涂布FIES准直镜和折叠镜之前。有了新的镜面涂层，FIES的效率提高了60-140%，”作者解释说。

这些改进对于正在进行的系外行星大气研究是个好兆头。世界上的小型望远镜并不总是能占据头条新闻，或者捕捉到值得登上头版的华丽图像。但它们每天都被工作的天文学家使用，经常相互配合。

“更普遍地说，这项概念验证研究为使用其他配备类似光谱仪的中型望远镜表征系外行星大气打开了大门。”作者指出，“在2米级望远镜上有一大批高分辨率摄谱仪，它们在描述系外行星大气方面的潜力在很大程度上尚未被探索……”

随着NASA的凌日系外行星勘测卫星(TESS)发现越来越多的系外行星和越来越多的热木星，这些较小的2米级望远镜将有越来越多的目标。作者认为这些较小的望远镜可以成为系外行星科学的重要组成部分。

作者写道:“随着NASA的TESS任务不断传递穿过明亮恒星的无数目标，能够完成这项工作的多台摄谱仪的可用性将对探索系外行星大气的组成和动力学以及理解不同仪器的系统学至关重要。”

论文:通过中型望远镜观测高分辨率的系外行星大气。MASCARA-2b和KELT-9b中的Fe II和北欧光学望远镜中的FIES今天:欧洲航天局的ARIEL任务将研究1000多颗系外行星的大气年度评论:系外行星大气