如何理解系外行星——太空科学家呼吁实验室化学家来帮忙

在系外行星首次被报道后的30年里，望远镜已经发现了数千颗系外行星。这些围绕太阳以外恒星运行的天体，其多样性令人惊讶：从拥有汽化岩石大气层的灼热熔岩行星，到海洋世界，有些甚至可能与地球相似。

2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）正在彻底改变我们对这些行星大气的理解，它揭示了以前难以想象的云层和霾的细节。科学家们开始了解风与湍流如何在太阳系外的行星上输送化合物，并观察到与地球上不同的化学过程。这些见解有望让我们更多地了解行星是如何形成的，或许还有生命的起源。但许多发现，比如陌生化合物的迹象，都难以解读。

太空科学界需要其他领域科学家的帮助来寻找答案。在此，我们呼吁系外行星研究者与从事地球及其他行星大气研究的人员加强合作，同时加强实验者、建模者和天文学家之间的联系。

### 聚焦光化学
要理解系外行星大气中起作用的分子和过程，光化学——由附近恒星的高能光驱动的化学反应——至关重要。JWST的首批观测对象之一是WASP-39 b，这是一颗像木星大小的炎热蓬松气态巨行星，围绕一颗距离约215秒差距（700光年）的类太阳恒星运行。其大气的电磁光谱显示出天文学家预期在这类行星上能找到的分子特征，包括二氧化碳和水。但在4微米波长附近一个陌生的不透明区域让他们感到困惑。

由于该数据集是开源的，2022年，数百名天文学家在消息平台Slack上开展了一场狂热的合作，以确定造成该不透明区域的化学物质。在测试了数十种可能性后，才明确那是二氧化硫。这令人惊讶，因为在以氢为主的气态巨行星中，这种化合物本应很罕见。研究发现，只有一种过程能产生足够高浓度的二氧化硫：光化学。

未来还会出现类似的谜团。建模者必须与理论和实验化学家密切合作，改进用于准确解读这些数据的光化学模型。关键的是，对于这些奇特的大气，我们缺乏关于反应速率和吸收截面如何随温度和压力变化的综合数据，也缺乏那些在以地球为中心的经验中不常见的分子的数据。

### 让模型更进一步
在大气中检测到特定分子并不足以推断其形成方式。它可能是从行星内部深处输送上来的，也可能是多种化合物和化学路径导致其存在，甚至可能通过与太阳系不同的反应路径形成。但目前的模型是基于太阳系行星（从气态巨行星到岩石类地行星）上发生的物理和化学过程。因此，这些模型可能误判或完全忽略了系外行星大气中起作用的某些化学或物理过程。

模型中需要更好体现的物理因素包括分子在行星大气与其表面或内部之间的输送和交换。行星绕轴自转和绕主恒星公转的方式会影响其大气化学。例如，有些系外行星的公转方式导致只有一面被照亮，形成永久炎热的昼面和永久寒冷的夜面。这使得气体分布与地球上的情况大不相同。更好的数值模型将改善描述这些大气物理运动和可观测成分的全局框架。

模型的另一个基石是光化学参数，这些参数也需要仔细研究。它们代表分子如何响应入射的恒星辐射以及如何相互反应——通过哪些反应以及反应速度。更复杂的是，这些参数会随大气中的压力和温度而变化。目前观测到的系外行星的大气环境与太阳系行星不同，因此模型必须模拟广泛的温度、压力和化学条件。这意味着需要测量或计算能更准确反映系外行星大气中情况的参数。理想情况下，反应参数是根据在与目标行星相关的条件下通过实验室实验测量的反应速率，或基于量子力学第一性原理的理论模拟计算得出的。然而，有些已知反应缺乏参数（因此模型通常使用最佳猜测），而且可能还有大量尚未被发现的反应。

在此，我们提出两种途径——实验和理论——来扩展专门针对系外行星的反应及其参数目录。

### 拓展跨学科研究
大多数关于系外行星大气的实验室研究都集中在特定气体（如氧化钛和磷化氢）的光吸收特征，或由多种化合物产生的、悬浮在气体中并能影响恒星辐射传播的霾颗粒上。目前的实验是在能复制观测到的系外行星大气温度、压力和化学成分范围的 chambers 中进行的，使用 lamps 或等离子体来模拟恒星辐射、恒星耀斑或闪电。

这些研究显示了从非常简单的系外行星模拟大气中能产生的化学产物的多样性和复杂性，并提供了有助于解读观测结果的光学参数。但光化学模型是通过利用整个反应网络——成百上千个将不同分子相互连接的单个反应集合——来预测大气的化学组成。目前的实验室研究尚未提供开发系外行星反应网络所需的定量信息。

要建立这种能力，系外行星研究界必须首先确定进行所需测量所需的实验室技术，而且已经取得了显著进展。例如，为了研究反应参数，科学家理想情况下必须观察特定分子的反应过程及其形成的产物。

专门研究地球大气化学和燃烧的实验室设备在一定程度上可以重新利用。使用燃烧科学反应器和激波管，结合光谱或质谱检测技术，将立即扩大可研究的压力和温度范围。而且，这些技术可以调整为研究硫化合物和甲烷等可能在其他地方更丰富的物质，而不是地球大气中丰富的氧气。同样，将地球科学实验室的用户群体扩大到包括系外行星科学家，将有助于最大限度地提高这些昂贵基础设施的科学回报。然而，从长远来看，系外行星研究需要专门的设施。

### 运用第一性原理
然而，有些反应和分子即使在实验室环境中也难以或危险到无法通过实验探测。系外行星大气的极端高压和低压，或非常缓慢的反应，由于所用仪器的限制，可能难以研究。对于缓慢的反应，分子浓度的微小变化可能小于仪器中的随机噪声；在低压下，分子密度可能低于检测极限。

在这种情况下，化学家可以应用理论工具来计算广泛温度和压力范围内的关键参数。随着计算机能力的提高和人工智能的整合，这类计算在准确性和效率方面正在迅速提升。然而，涉及大分子或重原子的反应仍然难以准确预测。