感覺大眾文化充斥著關於空間發現以及著迷地尋找其他類地行星的消息。鑑於我們只去過太陽系內的其他兩個行星的表面（不算月球），我們卻似乎對於太陽系內外的很多行星和衛星構成的成分很有自信。

當科學家聲稱一顆行星具有潛在可居住性時只是隨意猜測的嗎？他們到底怎麼能夠測定數百萬或數十億英里以外的行星的構成和大氣呢？

確定行星的構成……

一百年以前，天文學與現在大為不同。當時對於遙遠行星的運行速度、體積大小、構成物質和大氣成分都不過是猜測，但在過去的一個世紀內，我們的技術取得了驚人的進步。當看著我們的太陽系，我們可以很有根據的猜測其行星的構成，因為它們離地球是如此的近。對於一些行星，例如火星和金星，我們已經親身到過它們的表面，確認它們是由什麼構成的，但我們仍然有很多太陽系鄰居的表面沒有拜訪過。

不過，我們知道了地球的構成和大小，特別是它的密度，因此我們可以採用相同信息來與其他行星作對比以瞭解。如果我們找到一顆類地行星具有相同的密度，那我們可以假設它們的構成是相似的（硅酸鹽岩石包圍鐵鎳核心）。如果一個行星比地球大得多但密度更小，那它更有可能是一顆巨型氣體行星（例如木星、土星、天王星），有可能是由輕質元素構成的，如氫和氦包圍一個岩石的或熔態金屬的核心。

然而測定行星的密度又是另一個棘手的問題，因為我們需要知道它的質量和體積。基於我們對軌道和牛頓物理定律的學習，我們可以根據它對母星的影響來計算它的質量。當一顆行星繞一顆恆星運行時，行星運行的質量會對恆星產生一股微小的引力。這種擺動是因為行星會吸引恆星，輕微地改變它的速度；根據我們對紅移和藍移現象的知識，俗稱多普勒效應，這些速度的變化能極其準確地告訴我們類似行星的物體的質量。

圖解：紅移和藍移圖表（圖片來源：wired）

不過，測定體積是一門稍微不那麼精確的科學。通過觀察食相（當一顆行星從一顆恆星前面經過時），或者一顆衛星從一顆行星前面經過時，我們可以探測到由於交叉引起的光線變暗。當一顆行星從一顆恆星前面經過時，它擋住了恆星表面的某一部分，而這部分是可以被測量到其直徑的。只要直徑被計算出來，以及假定了球體的形狀，那麼體積就能被比較精確地測出。

掌握了體積和質量，密度自然就可以被計算出來了，這就能讓我們知道這顆行星是屬於哪一種“類型”的（岩石的、熔化的、類地的、氣體巨行星或完全不同的東西）。我們能根據這些測量結果來猜測其表面上的元素類型。

行星的大氣

測定一顆行星的大氣成分似乎更難了，但實際上，這巧妙地簡單。每當一個物體上的光被觀測到，就可以測量到這光中被過濾掉的部分。舉個例子，當我們觀測一顆遙遠的行星時，我們可以探測到穿過其大氣層的星光。此時，不同的元素會吸收光，而不是讓它直接穿過，但它們只會吸收光譜中的某些部分。這就產生了一種“光信號”。

圖解：光信號例子（圖片來源：visionlearning）

通過使用一種叫做光譜儀的儀器，天文學家能測量到通過大氣的光，然後把其光譜展開，使其看起來像一個條形碼。光譜中“失蹤”的部分精確地告訴我們大氣中有什麼元素，因為我們已經測量過每一個已知元素的光吸收情況，並把其製作成了標準表。

舉個例子，如果我們去看一個來自地球的光譜， 這個“條形碼”中與氮、氧和氬相關的頻率會丟失，因為那些元素構成了地球的大氣（分別佔78%、21%和1%）。讀取這些光譜讓我們有機會獲取宇宙的“指紋”，以及使我們讀取理解這些測量值的能力變得更好了。

事實上，一些光譜儀甚至不讀取可見光，而讀取在可見光譜之外的光（微波和X射線）。這些測量遵循相同的規律，但它們甚至能告訴我們大量來自整個宇宙的物體的基本組成信息！

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. sciabc

Ask an Astronomer (Cornell University)

Scientific American

USA Today

如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除

轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處