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自从15年前首次确凿地发现一颗围绕类太阳恒星运行的行星以来，天文学家已经汇编了大量且多样的所谓系外行星。 在目前已知的400多颗系外行星中，许多体积庞大——是木星质量的10倍或更多——极少数是小型的，只有地球质量的几倍。 除了轨道周期、估计质量以及在相对罕见的情况下测得的直径等宏观性质外，我们对这些遥远的世界知之甚少。
随着仪器和观测技术在过去几年中变得更加精密，系外行星研究人员已经开始更深入地探测这些天体的性质，甚至识别出它们大气层中的特定分子。 有朝一日，对系外行星大气层的详细观测可能会让天文学家能够精确定位那些生命似乎已扎根的世界，例如，产生原本无法解释的氧气和甲烷混合物。
但是，尽管许多行星最初是使用地面望远镜发现的，但大多数为天文学家提供了瞥见其大气层的光谱测量都来自太空观测站，例如哈勃和斯皮策太空望远镜，它们在地球自身大气层的遮蔽面纱之外运行。 （望远镜光谱仪将来自天体的光分解成其各个波长，从而可以通过其独特的发射或吸收特性来识别原子或分子。）
在发表在2月4日出版的《自然》杂志上的一篇论文中，来自美国、英国和德国的一个研究团队展示了中等规模的地面望远镜识别系外行星大气层中化学指纹的能力。 （《大众科学》是自然出版集团的一部分。）由于少数几个活跃的轨道观测站的观测时间非常宝贵，有效的地面方法将使系外行星的表征能够更快地进行，并且可以在更大的望远镜上进行。
美国宇航局喷气推进实验室（JPL）位于加利福尼亚州帕萨迪纳的天文学家马克·斯温和他的同事使用夏威夷的一架三米望远镜对系外行星HD 189733 b进行了红外光谱观测，HD 189733 b是一颗相对较近的系外行星，距离地球约63光年，于2005年在法国天文台被发现。 从太空观测已知HD 189733 b的大气层中含有几种特定的分子：水、甲烷、二氧化碳和一氧化碳。 在艰苦地消除地球大气层的影响后，斯温和他的同事发现，他们的地面光谱与太空中的光谱在重叠处吻合良好。 更重要的是，来自地面的观测结果揭示了一个太空观测范围之外的奇特特征。
斯温说：“最大的障碍是试图弄清楚如何消除地球大气层的影响，”他补充说，完善校准方法大约花了三年时间。 研究合著者，同样是JPL天文学家的皮埃特·德鲁说，他和他的同事需要在一个由地球大气效应主导的数据集中找到一个非常微弱的系外行星信号。 德鲁说：“我们基本上所做的是，假设我们看到的一切都是由于地球大气层造成的。” “这是一个非常好的假设，因为地球大气层产生的信号比系外行星大500倍。 因此，我们将其清除，然后在残差中搜索相关性。”
斯温说，该团队的技术可以用于其他望远镜，从而可以利用比太空望远镜更大的仪器。 （即使斯温和他的合著者使用的相对适中的望远镜也比哈勃望远镜大，哈勃望远镜的主镜直径为2.4米。）斯温说：“我认为从地面进行许多系外行星光谱观测的前景非常广阔。”
加州理工学院的天体物理学家卡尔·格里尔迈尔称这项新研究“令人印象深刻，并且可能非常令人兴奋的结果”，这可能会激发许多在更大望远镜上的后续观测。 格里尔迈尔说：“虽然地面望远镜将始终不得不与我们自身大气层的遮蔽和不稳定性作斗争，但像这样成功的观测技术的开发将使我们能够比以往在太空中拥有的能力投入更大的孔径来解决问题。”
除了太空观测站的波长覆盖范围之外，在夏威夷拍摄的光谱甚至还发现了一个奇怪的新特征——在约3.3微米的波长处，出现了来源不明的发射增强。 （一微米是百万分之一米。）斯温说：“这完全出乎意料。” “在光谱中，3.3微米处有一个很大的尖峰。 嗯，它本不应该看起来像那样的。”
尽管这种发射仍然是一个谜，但它可能来自大气甲烷的荧光，这在我们自己的太阳系中也曾目睹过。 斯温说：“这将需要更多的测试、更多的观测和更多的建模来弄清楚到底是怎么回事。” “这真是一个谜。” 格里尔迈尔指出，结合早期的观测结果，光谱中神秘的尖峰“开始描绘出一幅比我们之前认为的更加复杂和动态的大气层图景。”
对于斯温和他的合著者来说，在已充分研究其特性的行星上测试他们的方法对于确立地面观测的有效性至关重要。 斯温说，如果没有来自太空的佐证数据，“我认为我们不会相信我们的答案，而且我认为其他人也不会相信。”