MIT发出警告：天文学家可能会误解韦伯望远镜数据中的行星信号

除了比以往看到更远的宇宙之外，JWST还将捕捉到我们自己星系中天体的最详细视图。例如，它将把锐利的目光投向银河系中已经发现的5000颗系外行星中的一些。通过利用望远镜的光解析精度，天文学家们正在对这些附近的一些世界周围的大气层进行解码。一个行星是如何形成的以及它是否有生命迹象的线索可以从它们的大气层属性中解读出来。

然而，麻省理工学院（MIT）的一项新研究表明，天文学家通常用来解码基于光的信号的工具可能不足以准确解释新望远镜的数据。具体来说，研究人员说，不透明度模型--这些工具将光与物质的相互作用作为物质属性的函数来建模--可能需要进行重大调整，以匹配JWST数据的精度。

如果这些模型没有被完善？科学家们预测，行星大气的属性，如其温度、压力和元素组成，可能会出现一个数量级的偏差。

研究的共同负责人Julien de Wit说：“像水这样的化合物存在于5%和25%之间存在着科学上的重大区别，而目前的模型无法区分。”他是麻省理工学院地球、大气和行星科学系（EAPS）的一名副教授。

“目前，我们用来解密光谱信息的模型还达不到我们从詹姆斯-韦伯望远镜获得的数据的精度和质量，”EAPS研究生Prajwal Niraula补充道。“我们需要提高我们的游戏水平，一起解决不透明的问题。”

De Wit、Niraula和他们的同事已于9月15日在《自然-天文学》杂志上发表了他们的研究。共同作者包括光谱学专家Iouli Gordon、Robert Hargreaves、Clara Sousa-Silva和哈佛-史密森天体物理学中心的Roman Kochanov。

不透明度是衡量光子通过一种材料的容易程度。取决于它们是否以及如何与材料中的某些分子相互作用，某些波长的光子可以直接穿过材料，被吸收，或被反射出去。这种互动也取决于材料的温度和压力。

不透明度模型的工作基础是关于光如何与物质互动的各种假设。天文学家使用不透明度模型来推导材料的某些属性，给定材料发出的光的光谱。在系外行星的背景下，不透明度模型可以根据望远镜捕捉到的来自行星的光来解码行星大气中化学物质的类型和丰度。

De Wit将目前最先进的不透明度模型比作一个经典的语言翻译工具。他说它在解码哈勃太空望远镜等仪器拍摄的光谱数据方面做得不错。

“到目前为止，这块罗塞塔石碑一直做得很好，”De Wit说。“但是现在我们要以韦伯的精度进入下一个层次，我们的翻译过程将使我们无法捕捉到重要的细微之处，例如那些使一个星球是否适合居住的区别。”

他和他的同事在他们的研究中提出了这一点，他们在研究中对最常用的不透明度模型进行了测试。科学家们想看看，如果对模型进行调整，假设我们对光和物质如何相互作用的理解存在某些限制，那么模型会得出什么样的大气特性。研究人员创建了八个这样的“扰动”模型。然后他们给每个模型，包括真实的版本，提供了"合成光谱"--由研究小组模拟的、类似于JWST将看到的精度的光线模式。

他们发现，基于相同的光谱，每个扰动的模型对行星大气层的属性产生了广泛的预测。基于他们的分析，研究小组得出结论，如果现有的不透明度模型被应用于韦伯望远镜拍摄的光谱，它们将遇到"准确性的墙"。也就是说，它们将不够敏感，无法分辨出一颗行星的大气温度是300开尔文还是600开尔文，或者某种气体占大气层的5%还是25%。

Niraula说：“为了使我们能够约束行星的形成机制并可靠地识别生物特征，这种差异很重要。”

研究小组还发现，每个模型也都与数据产生了“良好的拟合”。这意味着，即使一个被扰动的模型产生了一个研究人员知道是不正确的化学成分，它也从该化学成分中产生了一个与原始光谱足够接近或“适合”的光谱。

“我们发现有足够的参数可以调整，即使有一个错误的模型，仍然可以得到一个很好的拟合，这意味着你不会知道你的模型是错误的，它所告诉你的是错误的，”de Wit解释说。

他和他的同事提出了一些如何改进现有不透明度模型的想法，包括需要更多的实验室测量和理论计算来完善模型对光和各种分子如何相互作用的假设，以及跨学科的合作，特别是天文学和光谱学之间的合作。

“为了可靠地解释来自不同系外行星大气的光谱，我们需要一个广泛的活动，对相关的分子光谱参数进行新的精确测量和计算，”研究报告的共同作者、哈佛-史密森天体物理学中心的物理学家Iouli Gordon说。“这些参数将需要及时落实到参考光谱数据库，进而落实到天文学家使用的模型中。”

“如果我们完全知道光和物质是如何相互作用的，有很多事情可以做，”Niraula补充说。“我们在地球周围的条件下知道得足够好，但是一旦我们转移到不同类型的大气层，事情就会发生变化，这就是大量的数据，质量越来越高，我们有可能被误读。”