EXCITE任务正在准备在新墨西哥上空发射。图片来源：NASA

外星行星大气研究的新方案：EXCITE

近来，外星行星大气成了科研的焦点，詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，简称 JWST）正尽可能多地进行观测。然而，全球最强大太空望远镜的观测时段极其宝贵，要想完整描绘任何一颗行星的大气，却需要大量投入。于是，跨学科研究团队提出了一个替代方案——专门捕捉外星行星大气信息的极简任务，并且成本仅为 JWST 等旗舰任务的一小部分。该任务称为 EXoplanet Climate Infrared TElescope（EXCITE），其与 JWST 的最大区别在于它搭载了一个 “脚踏车”（gondola）。

论文已发布在 arXiv 预印本服务器上。其核心之处在于：该望远镜通过一枚气球悬挂，能够升至大约 40 km 的高度，超过地球 99.5 % 的大气层。在极寒的“视角”条件（如南极上空）下，它可以连续点向并盯着目标不间断观测数天。正是这种连续性，使其能够捕捉到热木星（hot Jupiter）行星围绕恒星旋转时的“相位曲线”（phase curves）。

媒体对外星行星发现的关注往往集中在两类事件：一次是凌日（transit），当行星在其宿主恒星前方掠过时，短暂显示大气边缘；另一次是二次日食（secondary eclipse），行星掠过恒星后被遮挡，观测者可在被遮挡前后短暂再次看到大气边缘。虽然这些事件提供了有价值的图像，但它们仅是短暂的二维快照。

相位曲线则利用热木星与其恒星的距离极近，导致它们被潮汐锁定——即只有一面始终面向恒星，另一面始终面向真空。行星在轨道上绕行时，其“黄昏线”（terminator line，昼夜交接线）会从我们的视角沿行星表面移动。随着时间推移，这条移动的线让研究人员能够构建行星温度与大气成分的完整三维地图——这是凌日与二次日食快照无法做到的。

基于这些三维地图，天文学家可以绘制经纬度天气图，展示行星上最炽热的区域。通过分析不同波长光在不同压强下的吸收特征，EXCITE 还能测定大气压强。其光谱曲线设计能分辨多种波长，进一步提升数据质量。

总之，这些改进使 EXCITE 成为传统大型外星行星望远镜的激动人心的替代方案。事实上，它甚至在某些方面优于 JWST 与哈勃（Hubble）。JWST 的 PRISM 模式能够追踪相位曲线，但对最亮的候选恒星过于敏感，可能淹没传感器。哈勃的低地球轨道导致其不断进出地球阴影，引发巨大的热波动，需要长时间稳定才能观测，从而在捕捉完整相位曲线时产生观察间隙。

为验证该系统可行性，研究团队于 2024 年 8 月进行了一次测试飞行。EXCITE 在新墨西哥州 Fort Sumner 上空漂浮 10 小时，测试其系统。部分工作顺利：脚踏车能够以亚弧秒级精度定位，冷却系统也顺利实现红外探测器与光学元件的低温运行。然而，正如大多数飞行测试常见的问题，EXCITE 的 GPS 系统失效，围绕轴承的铝外壳收缩，限制了望远镜的倾斜与观测能力。

这正是新技术飞行测试所伴随的成长痛点，工程师们已在积极寻求解决方案。预计将在 2026‑2027 年南极夏季进行一次长周期飞行。若成功，该单一任务可能使人类已知的外星行星相位曲线数量翻倍。对于这项相对低成本的项目来说，这无疑是一次巨大的成就。

勇编撰自论文"The EXoplanet Climate Infrared TElescope (EXCITE): A balloon-borne mission to measure spectroscopic phase curves of transiting hot Jupiters".arXiv.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。