【科學講堂】大氣層含甲烷 可證小行星存生命？

●圖為科學家推測的行星上甲烷來源與沉積過程。 網上圖片

●圖為藝術家構想的小行星WASP-80b概念圖。 網上圖片

尋找外太空的其他行星，一直十分吸引人類的興趣；當找到了以後，我們又很好奇這些行星上有沒有水、甲烷等等生命的痕跡。上回我們介紹了功能強大的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST），今次就跟大家分享一下，天文學家們又是如何運用這個強力的儀器去探索其他外太空行星的甲烷成分。

這次研究的對象是位於天鷹座的行星WASP-80b。它是一顆像木星的氣體行星，每三天圍繞附近的一枚恒星轉動一圈。WASP-80b雖然大小和木星差不多，不過質量卻只有它的一半。就跟我們的月亮一樣，WASP-80b只會永遠用同一面面對它的主恒星。它的表面溫度高於攝氏500度，比我們太陽系中任何行星都要熱。不過和一些高達攝氏5,000度的行星比，這自然是「小巫見大巫」。

WASP-80b的質量較大，所以相對容易被發現，也成為了人類研究外太空行星大氣層的對象。我們已經在它的大氣層中找到水分和二氧化碳，可是對甲烷的存在卻不是十分確定。

確認甲烷的含量有非常重要的意義：一來它是推斷行星碳含量的重要資料，容許我們對各個行星作比較；二來甲烷和水分相類，也暗示着生命的存在，雖然甲烷不一定來自生物生活的過程，但也很值得參考。

計算大氣輻射差 反推物料成分

怎樣知道遙遠行星的大氣層中有什麼物料？我們可以運用各種物料的特有性質，基於量子物理的原理，每一種材料只會吸收和釋放特定波長的輻射，因此反過來說，我們就可以經由觀察哪個波長的輻射被吸收或釋放，來斷定當中的究竟是什麼物質。1868年，天文學家讓森（Jules Janssen）和洛克耶（Joseph Norman Lockyer）就從太陽表面發出的光譜中觀察到之前沒有見過的輻射，因而推斷太陽表面含有新的元素，就是我們現在熟知的氦氣。

不過，要觀測WASP-80b的大氣層也不容易，這顆行星和它的主恒星十分接近，所以容易被主恒星的光芒掩蓋。

天文學家也設計了相應的解決方法，他們首先運用JWST去觀察WASP-80b的主恒星，因而熟知了這顆恒星大氣層發出的輻射。當WASP-80b圍繞這個恒星公轉，會運行至地球和主恒星之間，這時再觀察量度到的輻射，計算其差值，可推測其中的數值變化就是源於WASP-80b，因此我們就可以推斷出它大氣層中的物料成分。

仔細一想，這個方法只量度了WASP-80b背光一面的成分，要觀察向光的一面也可以利用相似的策略：比較一下WASP-80b躲到主恒星後面時的光譜和還未完全躲起來時的光譜，兩者之間的差別應為WASP-80b向光面發出的輻射。

最後，研究團隊在WASP-80b的兩面都找到甲烷和水分，兩面中甲烷的濃度也差不多，可推測出WASP-80b擁有一個流動量高的大氣層，當中各種成分能夠均勻地混合在一起，WASP-80b的大氣層成分也跟太陽的相差甚遠，可供我們繼續探索。

小結

今次分享的研究，運用了JWST上的儀器去探索外太空行星的化學成分，現在雖然還不能把這個發現和生命的存在畫上等號，但鼓勵了人類繼續向這方面探索。

●杜子航 教育工作者

簡介：早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。