揭開外星世界之謎：科學家開發新技術探測系外行星的水資源

科學家們正利用玄武岩光譜研究系外行星，並透過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，簡稱JWST或韋伯）尋找水資源。這座軌道紅外線天文臺不僅能觀測更長波長的光線，還具備更高的靈敏度，讓科學家得以窺探塵埃雲內部，觀察正在形成的恆星和行星系統，甚至追溯至宇宙初期，觀測最早形成的星系。

康乃爾大學的科學家們透過研究地球熱地幔中的化學過程，建立了一個基於玄武岩的光譜特徵資料庫。這項研究旨在辨識太陽系外行星的組成，並可能為這些系外行星上存在水提供證據。康乃爾大學工程學教授Esteban Gazel指出，當地球的地幔熔化時，會產生玄武岩。這種灰黑色的火山岩遍佈太陽系，是地質歷史的重要記錄者。火星地幔熔化時也會產生玄武岩，而月球主要由玄武岩構成。科學家們在地球上測試玄武岩材料，最終希望透過詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的資料，揭示系外行星的組成。

Gazel與前康乃爾博士後研究員、現任明尼蘇達州Macalester學院助理教授的Emily First，是近期發表於《自然天文學》期刊的一項研究的作者。Gazel表示，瞭解礦物如何記錄岩石形成過程及其光譜特徵，是建立資料庫的第一步。他指出，考慮到系外行星宿主恆星的金屬豐度會導致地幔礦物（鐵鎂矽酸鹽）的形成，當這些礦物熔化時，相平衡（物質兩種狀態之間的平衡）預測產生的熔岩將是玄武岩。這種現象不僅在太陽系中普遍存在，在整個銀河系也是如此。

First測量了15個玄武岩樣本的發射率（表面輻射能量的程度），以獲取太空望遠鏡中紅外光譜儀可能檢測到的光譜特徵。當玄武岩熔體在系外行星上噴發並冷卻後，會硬化成固體岩石，在地球上稱為熔岩。這種岩石若與水接觸，會形成新的含水礦物，這些礦物在紅外光譜中很容易被識別。這些變質礦物可能形成角閃石（一種含水矽酸鹽）或蛇紋石（另一種含水矽酸鹽，外觀類似蛇皮）。

Gazel表示，透過分析玄武岩樣本之間的光譜差異，理論上可以判斷系外行星是否曾經有地表水或內部水。然而，水資源的證據並不會立即顯現，科學家們還需要進一步研究才能應用這種檢測方法。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（距離地球約100萬英里）需要數十到數百小時才能聚焦於數光年外的系統，之後還需要更多時間來分析資料。

研究團隊在尋找一個岩石系外行星來模擬其假設並考慮15種不同特徵時，使用了來自超級地球系外行星LHS 3844b的資料，這顆行星圍繞一顆距離地球約48光年的紅矮星執行。在康乃爾大學天文學副教授Nikole Lewis的實驗室工作的Ishan Mishra，編寫了模擬First光譜資料的電腦程式，以模擬不同系外行星表面在JWST中的表現。

Lewis表示，這些建模工具最初用於其他應用。Ishan的編碼工具最初用於研究太陽系中的冰衛星，現在科學家們正試圖將從太陽系中學到的知識應用於系外行星。First指出，這項研究的目的並非專門評估行星LHS 3844b，而是考慮JWST和其他天文臺在未來幾年可能觀測到的一系列玄武岩岩石系外行星。

研究人員表示，在系外行星的研究中，岩石表面的探索大多侷限於單一資料點（僅發現一種化學物質的證據），但隨著觀測者使用JWST，這種情況正在轉變為多成分分析。地質學家指出，透過分析與礦物學和整體化學成分相關的特徵（例如岩石中矽、鋁和鎂的含量），他們可以進一步瞭解岩石形成的條件。First表示，在地球上，如果玄武岩從深海中的洋中脊噴發，與在夏威夷等海島上噴發的玄武岩相比，你會注意到整體化學成分的差異。但即使化學成分相似的岩石也可能含有不同的礦物，因此這些都是需要仔細檢查的重要特徵。

參考文獻：Emily C. First, Ishan Mishra, Esteban Gazel, Nikole K. Lewis, Jonathan Letai and Leonard Hanssen, Potential for observing geological diversity from mid-infrared spectra of rocky exoplanets, Nature Astronomy, 14 November 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02412-7

這項研究得到了美國國家科學基金會、美國國家標準與技術研究院以及Heising-Simons基金會/51 Pegasi b獎學金的支援。