一颗离我们大约700光年的行星，从来没有飞船抵达，也没有人从那里取回过一口空气。

可科学家却说：它的大气中存在二氧化碳。

凭什么？

这颗名叫WASP-39 b的气态巨行星，真正送到我们手里的并不是一份“大气样本”，而只是光。

先借恒星的一束光

WASP-39 b绕着另一颗恒星运行。每隔一段时间，它会从恒星前方经过。

这次短暂的遮挡，恰好给了科学家一次“借光看大气”的机会。

行星本体会挡住一部分恒星光，而在行星边缘，还有一层大气。一小部分恒星光会擦过这里，穿过大气后继续向外传播，最终到达望远镜。

科学家去不了WASP-39 b，却可以研究这束光在穿过它的大气后发生了什么变化。

图1 地球—约700光年—WASP-39 b，突出“无法直接取样”

图2 凌星时恒星光穿过行星大气边缘

望远镜真正测到了什么？

这里最容易产生一个误会。

看到一张系外行星光谱图时，人们常会觉得，望远镜一开始就得到了一条起伏的曲线，然后科学家从里面认出某种分子。

实际过程还要再往前一步。

韦布空间望远镜先记录的是：不同波长的恒星光，在凌星前、凌星中和凌星后分别有多亮。

等行星从恒星前经过时，恒星会变暗。但真正有信息的，是不同波长减少得并不完全一样。

有些波长只少了一点，有些却少得更多。

科学家把每一种波长究竟“少了多少”依次排开，一张透射光谱才逐渐形成。

所以，光谱并不是望远镜直接拍到的一条曲线。

它背后，是一次又一次光强测量。

为什么有些波长会少得更多？

因为大气里的分子不会平等地对待所有光。

不同分子结构不同，与光相互作用的方式也不同。有些波长更容易被吸收，有些受到的影响则较小。

人们常把这种特征比作分子的“指纹”。但这只是第一步。真实光谱里，很多因素会同时留下痕迹，所以科学家不能只盯着一个峰判断。

从一组数据到CO₂

2022年，韦布空间望远镜的NIRSpec仪器观测了WASP-39 b的一次凌星。

现在再看科学家真正拿到的证据。

图上的白点，是望远镜测到的数据。

每个点旁边细细的误差棒，表示测量存在的不确定范围。

而那条平滑的模型曲线，却不是望远镜“看见”的。

它来自大气模型。

图3 WASP-39 b真实NIRSpec透射光谱

在大约4.3微米附近，许多数据点共同形成了一段明显的宽吸收结构。

重要的是，它不是某一个孤零零的数据点突然跳高，而是一整段波长上都出现了有规律的变化。

这种结构与二氧化碳吸收红外光时应当产生的特征相符。

于是，我们终于靠近了那句话：

“WASP-39 b的大气中存在二氧化碳。”

但还差最后一步。

科学家还要让不同的大气模型来“参加考试”。

研究人员会改变模型中的气体组成、温度、云层等条件，再计算：如果大气真是这样，应该得到怎样的光谱？

但这些模型并不是想把曲线画成什么样就能画成什么样。它们还必须服从分子吸收、温度结构等物理规律。

然后，科学家把模型预测与真正测到的数据放在一起比较。

如果去掉CO₂，模型还能解释4.3微米附近的结构吗？

如果改变温度或云层条件，这个判断还站得住吗？

当含CO₂的模型能够更好地解释这组特征，而且这种结果不能轻易由噪声或其他合理解释替代时，科学家才把它报告为CO₂的检测证据。

所以，“那里有二氧化碳”并不是某一个数据点直接给出的答案。

它来自分子的物理特征、真实观测、测量的不确定性，以及模型之间的比较。

当数据不听模型的话

WASP-39 b的光谱里还出现过一个很有意思的情况。

除了明显的CO₂特征，研究人员还发现，约4微米附近有一处吸收，最初的一些模型解释得并不好。

后续研究表明，约4.05微米的吸收可由SO₂解释，而这一SO₂需要把恒星光驱动的大气光化学过程考虑进去才能得到合理解释。

这件事的重要之处，不只是“又找到了一种分子”。

它说明，数据并不只是等待模型去解释。

有时候，数据也会反过来告诉科学家：原来的模型可能还少了某种过程。

科学研究并不是让观测强行服从既有答案。真实数据和模型对不上时，需要被修改的，也可能是我们的理解。

我们究竟知道了多少？

即使这样，也不能说科学家已经“完全知道”了WASP-39 b的大气。

还有一个容易被忽略的限制：

透射光谱主要探测的是凌星时恒星光穿过的行星边缘大气，而不是整颗行星每一个地方。

后来更精细的观测甚至发现，WASP-39 b不同边缘区域的大气条件可能并不完全相同。

所以，更准确的说法不是：

“我们已经知道这颗行星的大气里的一切。”

而是：

在现有观测和模型允许的范围内，证据支持它的大气中存在二氧化碳，并能进一步约束其他成分和大气性质。

图4 证据支持存在CO₂

几百光年之外，科学家没有触碰过WASP-39 b的大气。

从那里来到望远镜里的，只是一束被改变过的光。

经过测量，它变成数据；经过整理，它形成光谱；经过比较，它显出特征；再经过模型和误差的检验，才成为一句可以写进论文的判断。

科学家没有触碰那颗行星的大气，却读懂了光经过那里以后留下的变化。

内容来自：科普69f008d52bf0f