题图：艺术家展示的 TRAPPIST-1 行星系统概念图。基于有关行星直径、质量和与主星距离的可用数据。韦布天文望远镜预计将于2022年夏天开始科学观测。（NASA/JPL）

经过长达数十年的开发、改进、测试、发射、展开以及最近的光学对准和仪器校准后，人类历史上最强大的太空望远镜即将取得成果。虽然NASA已经发布了许多詹姆斯韦布太空望远镜光学系统收集的“第一道光”，实际上，让所有的镜子都启动运行并使之具有实际科学观测意义，距离韦布发回第一张“惊掉下巴的相片”，可能还需要几个月的时间。

韦布的建造已经进行了多年，天文学家们的观测规划和准备工作也是如此。其中，许多工作都与宇宙的早期历史、恒星、星系的形成以及其他宇宙学领域有关，但一个前所未有的地外行星“观测子集”也在筹备中。

我们已经讨论了韦布团队早期发布的科学计划，该计划涉及对巨大的热木星行星的观测，以了解它们的大气层，并作为一种收集经验数据的方式，以指导行星科学家们在未来更好地使用韦布仪器。

现在，我们将研究一些更为具体的韦布观测计划和任务，并将收集有关银河系中至少 1000 亿颗地外行星所代表集合的一些主要特征和奥秘。

这将通过使用包括透射光谱在内的多种技术来完成——当行星从其母星前经过时，收集和分析透过地外行星大气层的母星光谱。韦布将以前所未有的性能来表征已知的多种地外行星的大气多样性，比如：相较于我们的太阳，温度更低和更暗淡的红矮星（迄今为止银河系中最常见的恒星）能否维持其行星的大气？对地外行星大气化学成分的高灵敏度的分析研究；以及关于TRAPPIST-1 地外行星系的许多可能性，这是一个距离太阳系较近的，包含七颗类地岩石行星的系统。

艺术家对 GJ 1214b 的诠释，这是韦布“第一轮观测”中即将研究的行星之一。已知这颗行星被浓厚的大气层覆盖，科学家们预计韦布将以前所未有的能力观测其大气的化学物质。（NASA）

我们太阳系的一个谜团是它没有任何“超级地球”（半径为地球的 1.5 倍的行星）或任何“迷你海王星”（半径为地球的 1.8 倍，但比海王星半径小的行星）。开普勒太空望远镜发现，这些大小的行星，是迄今为止银河系中最常观察到的行星。因此，行星科学家渴望更多地了解它们的大气层、它们的组成以及推断它们的演变模式，以此来了解更多关于它们如何形成，以及为什么它们没有在我们的太阳系中形成的信息。

一个由 NASA 艾姆斯研究中心的 Natasha Batalha 领导的小组被分配到了令人妒忌的141个观测小时（韦布的使用是按科学家申请的小时数来计算的——小编注）来研究这些大小和质量范围内的11 颗行星（一些是岩石行星，一些是气态行星）。

华盛顿卡内基科学研究所的科学家，项目联合研究员 Johanna Teske表示，他们的主要研究目标，包括确定这个大小范围内的行星是否与其有大气层有直接关系，以及这些行星可能拥有什么样的大气成分。

Johanna Teske 是卡内基科学研究所的科学家。（卡内基研究所）

上图是基于行星半径的每颗恒星拥有的平均行星数量的统计。正如开普勒望远镜所观察到的，尺寸相当于地球半径 1.6 到 1.8 倍之间的行星平均数量急剧下降，但原因尚不清楚。这是行星科学家非常感兴趣的问题之一。（Benjamin Fulton 和 Erik Petagura，天文杂志）

Teske 还提醒道，长期以来，认为我们的太阳系没有“超级地球”到“迷你海王星”大小的行星的观点，可能有一天需要打一个星号。因为许多天文学家已经在我们太阳系的边缘，发现一颗新行星的初步迹象，这颗行星的大小可能远远超出冥王星。有时被称为行星9或行星X，它是近年来大量科学辩论的主题，并且有朝一日，就行星构成而言，它可能会使我们的太阳系成为一个更传统的太阳系。

行星科学中更紧迫的问题之一，是围绕红矮星（或M矮星）运行的行星是否拥有大气层。这个问题是如此重要，因为我们银河系中大约 75% 的恒星，以及离我们最近的 60 颗恒星中的 50 颗，都是这种类型的恒星。与我们自己的太阳相比，红矮星相对较小且“凉爽”，经常被比水星轨道更近的行星环绕。

“第一轮观测”项目将使用韦布集中观测 9 颗围绕红矮星运行的行星，以确定它们是否有大气层。在约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的首席研究员 Kevin Stevenson 和 APL 的联合研究员 Jacob Lustig-Yaeger 的带领下，该团队将在寻找可居住行星的过程中解决这个基本问题。

围绕红矮星运行的行星的宜居性问题，主要基于这样一个事实，即该类行星离其母星如此之近，它们很可能会被潮汐锁定（一侧总是面对它的母星，就像我们的月球被地球潮汐锁定一样），而且红矮星在它们相对较早期的演化中，往往会爆发大型的太阳耀斑。这些耀斑是否能够并且永久地对其较近的轨道行星进行“消杀”，一直是天体物理学界激烈争论的话题。

但现在，Stevenson 说，韦布将能够确定是否红矮星行星上存在大气层，如果有，这些大气层将有多普遍。如果发现大气，下一步将尽可能详细地说明存在哪些化学物质。Stevenson说：“如果我们研究的所有或许多围绕红矮星运行的行星都有大气层，那将告诉我们应该研究它们是否具备生命宜居的条件。” “但如果它们没有大气层，那么我们就必须重新考虑可支持生命行星的寻找策略。”

该研究还将研究行星轨道迁移的作用——从更远的，远离耀斑的轨道，到后来更靠近的轨道——是否会影响红矮星的行星形成大气层，以及“不可避免地，对红矮星行星的这些研究，将为生命起源问题带来哪些新的研究火花。”

TRAPPIST-1行星系，几乎被普遍认为是迄今为止发现的最引人注目的地外行星系之一。它有七颗靠近其主星运行的岩石行星，密度都非常相似，其中三颗似乎位于系统的宜居带内——水可以液态存在的轨道距离。

围绕它们的主星运行的TRAPPIST-1 地外行星的三个可能的内部结构，距离我们相对较近，仅41光年。所有七颗行星的密度都非常相似，因此它们可能具有相似的成分。（NASA/JPL）

TRAPPIST-1e 是其中最宜居的行星之一，将成为韦布“第一轮观测”运行的焦点。TRAPPIST-1e 拥有类似于地球的质量、半径、密度、重力、温度以及它接收的每个相对单位的阳光量。还已经证实，这颗行星没有以氢为主的大气层，这意味着它更有可能更像我们太阳系中的类地行星一样，拥有紧凑的大气层。（氢是一种强烈的温室气体，以氢为主导的大气成分，会使行星表面无法宜居）

康奈尔大学卡尔萨根研究所的博士后 Ryan MacDonald 将成为分析 TRAPPIST-1e 观测数据团队的一员，该团队由康奈尔大学天体物理学家 Nikole Lewis 领导。

Ryan Macdonald康奈尔大学的博士后研究员，也是 Nikole Lewis 领导的韦布观测小组的成员。（康奈尔)

“地外行星大气中的二氧化碳非常容易被检测到，我们认为我们会看到它，”他说。“如果我们做到了，那么我们将继续研究大气水蒸气，然后是甲烷。这些组分可以是地质或生物的，但如果我们找到它，我们就会寻找与生命相关的气体。”Macdonald说，虽然很可能在“第一轮观测”期间发现二氧化碳，但其他分子在未来几年将需要更多的观测时间。

要找到的最重要的气体可能是氧气，但它需要在韦布可用的光谱波长中观察到不太可能的 1,000 次凌日。如果一个团队有足够的观测时间，它可以寻找臭氧作为替代物——一种异化的氧元素分子，需要大约 100 到 200 次凌日数据，这更可行，但也可能需要观测超过数年。

在 TRAPPIST-1e 大气中发现甲烷和臭氧，将是潜在的生命信号，但同时进行这两项检测将牵扯到更多复杂的工作。

当然，TRAPPIST-1e 也可能是一块没有任何大气的光秃秃的岩石球。在六天的公转周期内绕着它的母恒星运行，可能在其演化历史的早期，已被来自母星的耀斑“消杀”过了。

到目前为止，使用众多望远镜进行的观测，还没有发现行星周围的大气或化学物质，这可能是由于行星周围有厚厚的云层造成的，或者它确实是一块裸露的岩石。尽管如此，许多 TRAPPIST-1 的观测结果令人兴奋不已。

“我们知道已知的未知，但肯定会有我们未知的未知，”Macdonald说。“而且因为 TRAPPIST-1e 具有诸多与宜居行星一致的特征，它有很多东西要告诉我们。”

艺术家对 HD 189733 b 的渲染图，这是一颗被充分研究的热木星行星。韦布将被用于深入研究其大气化学成分，以更加了解这颗行星，并了解巨型望远镜能做和不能做什么。（美国国家航空航天局）

HD 189733b 是热木星行星的典型。它于 2005 年被发现，非常大（半径比我们的木星还大 13%），非常明亮，有很高的信噪比——即所需观测的信号相对于背景噪声的强度，因此它的化学成分可能很容易被获得，马里兰大学教授Drake Deming提议用韦布对这颗行星进行“深入的分子研究”。

Drake Deming 是马里兰大学的研究教授，也是美国宇航局地外行星凌日调查卫星 (TESS/马里兰大学）的联合研究员。