1995年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞一顆類太陽恒星（與太陽相似的恒星）運(yùn)行的第一顆系外行星。當(dāng)時(shí)，瑞士日內(nèi)瓦天文臺的科學(xué)家梅耶和奎羅茲發(fā)現(xiàn)，飛馬座51號星有一種規(guī)則的前后晃動(dòng)。他們下結(jié)論說，這種晃動(dòng)是由一顆行星的引力導(dǎo)致的，這顆行星的質(zhì)量是地球的至少150倍（差不多等于木星質(zhì)量的一半），每4天環(huán)繞母恒星（即飛馬座51號星）一圈。隨著系外行星探索熱潮的興起，其他有關(guān)系外行星的發(fā)現(xiàn)接踵而至，這讓望遠(yuǎn)鏡經(jīng)理人劃撥更多的觀測時(shí)間給系外行星探索者。

隨著發(fā)現(xiàn)的系外行星越來越多，在位于美國馬薩諸塞州坎布里奇的“哈佛-史密森尼天體物理中心”工作的科學(xué)家沙博諾靈光閃現(xiàn)。他想到，當(dāng)一顆行星“凌日”（即從恒星正前方經(jīng)過）時(shí)，行星大氣層中的分子會(huì)吸收恒星的一些星光，行星大氣分子的光譜指紋因此留在了星光中。那么，有無可能探查這些指紋呢？

為找到答案，沙博諾決定搜尋鈉。他解釋說，鈉并非特別豐富，但鈉的光譜特征很鮮明——激發(fā)態(tài)鈉分子會(huì)發(fā)射兩條很強(qiáng)的光線，鈉街燈發(fā)出明亮的橘紅光就是這個(gè)原因。當(dāng)鈉被背光照射，穿越它的光會(huì)在光譜中的相同點(diǎn)位留下暗色條帶。沙博諾希望，這些條帶會(huì)相對容易被發(fā)現(xiàn)。

系外行星“HD 189733b”及其母恒星（想象圖）

沙博諾想的沒錯(cuò)。他的團(tuán)隊(duì)2002年宣布，使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，他們探查到了來自一顆木星大小的系外行星——HD 209458（距離地球150光年）的鈉信號。這既是對一顆系外行星的大氣層首次進(jìn)行探測，又是對系外行星大氣層進(jìn)行首次光譜學(xué)測量。此后短短幾年內(nèi)，基于太空的凌日觀測記錄了更多完整的光譜，探查到了諸如一氧化碳和水蒸氣之類的氣體。

沙博諾說，運(yùn)用這種技術(shù)意味著尋找恒星光譜中極微小的改變，改變幅度或許只有萬分之一。對于探索系外行星的科學(xué)家來說，“哈勃”是首選工具，原因是：“哈勃”不受光線被地球大氣層氣體吸收影響，所以“哈勃”獲得的光譜很干凈，容易解讀。但對“哈勃”觀測時(shí)間的競爭很激烈，因此科學(xué)家也要使用地面望遠(yuǎn)鏡。

利用地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，的確必須對付大氣層干擾，但可以通過采集比“哈勃”能采集的星光更多的星光，來克服這個(gè)難題。這讓科學(xué)家能探查光線微弱的天體，并且更明確地分離單個(gè)光譜特征。由于大多數(shù)系外行星都位于相對于地球而移動(dòng)的恒星系統(tǒng)中，地面觀測獲得了回報(bào)。沙博諾說，恒星星光的波長發(fā)生多普勒頻移，這意味著來自這些波長的輻射被恒星運(yùn)動(dòng)拉伸或壓縮，它們的光譜線略微偏離地球大氣層中對應(yīng)的光譜線。因?yàn)檫@兩套光譜線不再重疊，所以科學(xué)家能確定究竟有多少信號來自于系外行星。運(yùn)用這種技術(shù)，科學(xué)家能探查到只占一顆行星大氣層10萬分之一的氣體。

對凌日光譜學(xué)技術(shù)的一種延伸，讓科學(xué)家得以測量反射自一顆行星表面的光線。他們做到這一點(diǎn)，是在行星從母恒星正面完全經(jīng)過后，即在行星位于自己軌道的遠(yuǎn)端、行星被母恒星星光照亮的一面朝向地球的情況下。雖然科學(xué)家依然不能看見一顆與恒星分開的單獨(dú)的行星，但他們知道行星光譜與恒星光譜是合并在一起的。稍后不久，行星會(huì)跑到恒星背后，被恒星完全遮掩。于是，科學(xué)家從測量行星光譜與恒星光譜的合并光譜轉(zhuǎn)到單獨(dú)測量恒星光譜，兩者的差異就能揭示行星的情況。當(dāng)然，這一過程遠(yuǎn)非說的這么簡單明了，而是非常復(fù)雜、非常艱難，但它能夠測量一顆近距離環(huán)繞母恒星、木星大小的系外行星的紅外光光譜，哪怕這顆行星的亮度只有其母恒星的0.1%也行。

這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)更具雄心的應(yīng)用，就是在一個(gè)完整軌道中跟蹤一顆系外行星。減去在行星被遮擋期間獲得的恒星光譜，科學(xué)家就能得到從薄薄月牙形態(tài)（當(dāng)行星剛剛結(jié)束凌日時(shí)）變到半月形態(tài)（當(dāng)行星位于恒星側(cè)面時(shí)）、再到滿月形態(tài)（當(dāng)行星位于自己軌道遠(yuǎn)端）的行星大氣光譜。這讓他們能制作相對細(xì)化的行星大氣層及其隨時(shí)間變化地圖。加拿大麥吉爾研究院（位于蒙特利爾）科學(xué)家考恩的團(tuán)隊(duì)2012年宣布，他們使用這項(xiàng)技術(shù)，并且運(yùn)用來自美國宇航局斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的紅外數(shù)據(jù)，證明系外行星HD 189733b的表面最高溫出現(xiàn)在其赤道大約10°以內(nèi)，這與預(yù)測值吻合。從那以來，其他科學(xué)家運(yùn)用“哈勃”和“斯皮策”的數(shù)據(jù)，繪制了更詳細(xì)的系外行星大氣層地圖?？级髡f，在JWST升空后，繪制一顆熱木星的3D地圖將變得很容易。

凌日光譜學(xué)其實(shí)也有缺陷。一些系外行星的云層光譜幾乎沒有任何特征，因?yàn)檫@些云層由液滴或細(xì)小塵埃微粒組成，它們不以孤立分子那樣的方式在光譜中留下的自己的印記。沙博諾說，這些云層的確讓人很頭痛?？茖W(xué)家無法直接測量這些云層的構(gòu)成，只是知道它們阻擋光線。它們不見得由水蒸氣組成。沙博諾指出，一顆云遮霧繞的系外行星——超級地球GJ 1214b是如此熾熱，以至于它的云層有可能由硫化鋅和氯化鉀組成。在溫度更高的系外行星上，云層甚至可能包含鐵或巖石的液滴。

美國康奈爾大學(xué)卡爾·薩根研究院院長麗莎，指出了凌日測量方法的另一個(gè)缺陷。她說，當(dāng)光線擊中一顆凌日行星，光線不只是被吸收，還會(huì)在行星大氣層中被扭曲，這讓我們不可能在地球上看見系外行星。這種扭曲叫作折光。大氣層越稠密，折光越厲害。麗莎說，如果外星科學(xué)家試圖獲得地球的光譜學(xué)讀數(shù)，折光會(huì)把他們能探測的深度限制到地表以上最多10千米，而地球的大部分水都位于地球大氣層最下面10千米，與此類比，要想在一顆類地球系外行星上發(fā)現(xiàn)水，恐怕難上加難。