系外行星的真实大小

一颗恒星的磁场必须考虑在内，以便正确地从Kepler、詹姆斯·韦伯或PLATO等太空望远镜的观测中确定外行星的特征。德国太阳系研究Max Planck研究所（MPS）领导的一个研究小组今天在《自然天文学》杂志上呈现了新的模型计算，证明了这一点。研究人员表明，恒星亮度在其盘面上的分布取决于恒星的磁活动水平。这反过来影响了观测数据中外行星的特征。必须使用这种新模型才能正确解释指向我们太阳系之外遥远世界的最新一代太空望远镜的数据。

在处女座，距离地球700光年远的星球WASP-39b绕着星WASP-39运转。这颗气态巨行星完成一次轨道运动仅需要四天多一点的时间，是最受研究的外行星之一：2022年7月NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜投入使用后不久就将其高精度凝视投向这颗遥远行星。数据揭示了WASP-39b大量水蒸气、甲烷甚至首次发现的二氧化碳存在于其大气层中。这是一个小小的轰动！但问题还没有完全解决：研究人员还没有成功地在模型计算中复制出所有关键的观测细节。这妨碍了对数据的更精确分析。在MPS领导的新研究中，包括来自美国麻省理工学院、美国太空望远镜科学研究所、英国基尔大学和德国海德堡大学的研究人员展示了一种克服这一障碍的方法。

“解释WASP-39b数据时出现的问题在许多其他外行星中都是众所周知的——无论是用Kepler、TESS、詹姆斯·韦伯还是未来的PLATO航天器观测到的外行星。” MPS科学家Nadiia Kostogryz博士说。“与其他被外行星环绕的恒星一样，WASP-39的观测光变曲线比以前的模型可以解释的要平坦。”他补充道。

研究人员将光变曲线定义为对恒星亮度在较长时间内的测量。恒星的亮度不断波动，例如因为其亮度受自然波动的影响。外行星也会在光变曲线中留下痕迹。如果外行星从观察者视角看向恒星前方通过，它就会使恒星光变暗。这在光变曲线中表现为定期的亮度降低。对这样的曲线进行精确评估可以提供有关行星大小和轨道周期的信息。研究人员还可以通过将恒星的光分解为不同波长或颜色来获取有关行星大气组成的信息。

对恒星亮度分布的密切观察

恒星边缘，即恒星盘面的边缘，在解释其光变曲线中起着决定性的作用。正如太阳一样，边缘对观察者来说显得更暗。然而，实际上，恒星在较远处并不会发出更少的光辉。“由于恒星是一个球体，其表面是弯曲的，我们在边缘看到的是比中心更高、因此更凉的层”，合著者、MPS主任Laurent Gizon教授解释说。“所以，这个区域对我们来说看起来更暗。”他补充道。

已知边缘暗化会影响光变曲线中外行星信号的确切形状：暗化确定了恒星亮度在行星凌日期间急剧下降，然后再次上升的程度。然而，使用传统的恒星大气模型始终无法准确再现观测数据。亮度下降总是比模型计算所示的要缓和。“很明显，我们缺少理解外行星信号的关键部分”，当前研究的合著者、MPS主任Sami Solanki教授说。

磁场是拼图中的缺失部分

正如今天发表的计算所显示的，拼图中缺失的部分就是恒星的磁场。像太阳一样，许多恒星通过炽热等离子体的巨大流动在内部产生磁场。研究人员第一次能够在边缘暗化的模型中包含磁场。他们表明磁场的强度具有重要影响：在磁场较弱的恒星中，边缘暗化较为明显，而在磁场较强的恒星中则较弱。

研究人员还证明了如果在计算中包括了恒星的磁场，观测数据与模型计算之间的差异将消失。为此，该团队利用了来自NASA的Kepler太空望远镜的选定数据。该望远镜从2009年到2018年捕捉了数千颗恒星的光。在第一步，科学家们模拟了在磁场存在的典型Kepler恒星的大气。然后，在第二步，他们从这些计算中生成了“人造”观测数据。通过与真实数据进行比较，结果显示通过包含磁场，Kepler数据得到了成功再现。

该团队还将其考虑扩展到了来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据。该望远镜能够将遥远恒星的光分解为各种波长，从而搜索发现行星大气中某些分子的特征迹象。结果显示，母恒星的磁场在不同波长下影响着恒星边缘暗化，因此在未来的评估中应考虑这一点，以获得更加精确的结果。

从望远镜到模型

“在过去的几十年中，前进的方式是改进硬件，设计用于搜寻和表征新世界的太空望远镜。詹姆斯·韦伯太空望远镜将这一发展推向了新的极限。”本研究的合著者、MPS资助的ERC研究小组负责人Alexander Shapiro博士说。“下一步是改进和完善模型以解释这些优秀数据。”他补充道。

为了进一步推进这一发展，研究人员现在希望将他们的分析扩展到与太阳明显不同的恒星。此外，他们的研究结果还提供了利用带外行星的恒星光变曲线来推断恒星磁场强度的可能性，而这通常很难测量。