研究速览

近日，中国科学院南京天文光学技术研究所（简称天光所）CPI-C团队在系外行星多波段测光物理属性反演领域取得重要进展，以题名“Optical-Near-infrared Multiband Photometric Analysis and Characterization of Giant Exoplanets with CPI-C”的论文发表在国际天体物理学期刊《The Astronomical Journal》（AJ）。系外行星成像星冕仪（CPI-C）为中国空间站巡天空间望远镜（CSST）特色仪器之一，首次具备在可见光和近红外波段对系外冷行星开展直接成像探测能力。该工作将可见光反射光与近红外热辐射的多波段光度观测相结合，通过大气模型系统模拟甲烷等分子吸收、云层覆盖及巨行星物理参数对观测特征的影响，系统探索了利用多波段测光数据约束巨行星大气组成和物理性质的能力，为未来直接成像巨行星的精细化表征提供了新的方法与理论支持。

背景介绍：从直接成像到多波段测光——CPI-C如何刻画系外行星

目前已经探测发现6000多颗系外行星，其中直接成像的行星仅有约40颗，高对比度成像仍然存在技术挑战：行星与其宿主恒星的光强对比度差异在10-6~10-10。星冕仪能够抑制恒星强光，从物理空间上将来自行星光分辨开而直接成像，进而可以通过多波段测光或者光谱分析开展行星大气与物理属性刻画研究。CSST/CPI-C（图1）能够在可见光至近红外波段直接成像探测系外冷行星，通过仪器配置的宽带滤光片开展多波段测量，将能够最大化地提取出行星温度、气压、大气成分、云层结构并反演其质量、半径、轨道等关键物理信息，是下一代探测系外生命特征信号进而解答“人类在宇宙中是否孤独？”这一基本科学问题的关键。该文章结合CPI-C高对比度成像和多波段测光探测能力，针对预期探测行星“有多大、多热，大气中有哪些成分，云层处于什么状态，以及它经历了怎样的形成和演化过程”等系列科学问题给出系统性的分析方法和预判。

CPI-C仪器总体设计、高对比度成像方案、宽带多波段测光配置以及科学目标等参见论文Dou et al. RAA (2026)，CPI-C最新研制进展与早期科学等参见论文Dou et al. SPIE (2026)。CPI-C采用两项关键技术来抑制恒星强光使得暗弱行星信号被直接探测，即“光瞳调制技术”充分抑制恒星经由望远镜产生的衍射以及“波像差高精密控制技术”有效消除光学系统不理想表面产生的散斑噪声。在获得以上高对比度成像基础上，恒星光将被送入CPI-C配置的可见光与近红外双通道科学探测相机，在宽波长范围内同时获取行星信号。一旦获得行星多个波段上的亮度，我们究竟能够从中解读多少关于这颗行星的关键物理信息？围绕这一目标，天光所团队针对CPI-C科学预期开展了系统研究，重点评估可见光和近红外多波段观测在系外行星科学研究中能够发挥怎样的作用。

图1 CPI-C在CSST上的布局示意图。 CPI-C分布于CSST的M5和M6两个包络位置。图源：Dou et al. (2026), RAA, Figure 1。

关键结果：多波段测光同时捕捉系外行星的反射光与热辐射信息

研究表明，可见光和近红外观测实际上对应着两种不同、但彼此补充的行星信息来源。

可见光波段：甲烷、云层与大气成分

对于温度较低、相对成熟的巨行星，可见光中的行星信号主要来自行星大气对恒星光的反射：恒星光进入行星大气后，会受到气体分子、云层和微小颗粒的吸收与散射，但是不同波段反射光的强弱并不相同。这些差异中隐藏着行星大气组成和云层性质的关键信息。

团队重点考察了甲烷的影响。甲烷是冷巨行星大气中重要的吸收成分，在部分可见光波段会留下较为明显的特征。研究发现，CPI-C的可见光波段能够同时覆盖相对平缓的光谱区域和对甲烷较为敏感的区域。通过比较几个波段之间的亮度差异，可以判断行星反射光谱的大致形状，并对甲烷吸收、云层状态以及大气重元素含量等性质形成一定约束。进一步的模拟表明，随着甲烷含量增加，不同可见光波段之间的颜色会呈现出系统性的变化，使不同甲烷水平在多波段测光中表现出可识别的分布趋势（图2）。

图 2 CPI-C可见光多波段测光对不同甲烷含量的响应。图中不同颜色的点表示模拟行星大气中不同的甲烷含量。随着甲烷含量增加，较长波长波段受到更明显的甲烷吸收，不同甲烷水平因而在图中呈现出连续变化的分布趋势。当吸收过强导致部分波段低于探测阈值时，观测仍可通过亮度上限排除部分大气模型。图源：Zhu et al. (2026), AJ, Figure 7。

这有些类似于通过有限的几个颜色去判断一个光谱的大体轮廓。它不能替代高分辨率光谱，但在行星十分暗弱、难以开展精细光谱观测的情况下，多波段测光仍然能够提供有价值的大气信息。

近红外波段：热辐射与温度、半径、重力、质量

对于年轻或温度较高的巨行星，情况则有所不同。这类行星仍然保留着较强的内部热量，在近红外波段可以直接探测到自身发出的热辐射。行星在不同近红外波段中的亮度变化，与它的温度、半径、表面重力以及大气云层等性质密切相关。

研究团队利用已有代表性系外行星以及模拟行星开展测试。结果表明，CPI-C的4个近红外波段可以较好地刻画行星热辐射的大致能量分布。当这些信息与现有观测结合后，可以进一步缩小行星温度、半径和表面重力等参数的可能范围，并在一定条件下进一步估计行星质量。换句话说，近红外观测不仅帮助我们判断“这颗行星有多亮”，还可以进一步回答“它为什么这么亮”（图3）。

图3 HR 8799多行星系统的直接成像。 HR 8799周围已经直接成像发现4颗巨行星，本研究也采用该系统作为近红外热辐射分析的代表性对象之一。图为JWST/NIRCam观测结果。图源: https://science.nasa.gov/asset/webb/hr-8799-nircam-image/

创新：从可见光与近红外的联合反演出发建立巨行星参数约束方法

更值得关注的是，可见光和近红外并不是两套彼此独立的观测。

对于某些处于特定温度和演化阶段的巨行星，可见光中能够看到它反射的恒星光，近红外中又能够探测到它自身的热辐射。研究团队专门构建了这样一颗模拟巨行星，并分别使用可见光、近红外以及两类数据联合进行参数分析。

结果显示（图4），当两类信息联合起来后，对行星性质的判断明显更加稳定。可见光主要告诉我们行星大气如何反射恒星光，近红外则提供行星自身温度和辐射状态的信息。两者从不同角度描述同一颗行星，因此可以相互补充，并排除一些单独使用某一波段时仍然可能存在的解释。尤其对于行星半径和云层性质，联合观测能够显著减少参数的不确定性。

图4 CPI-C可见光—近红外联合观测模拟结果。 绿色和橙色虚线分别表示行星反射的恒星光和自身热辐射，黑线为两者共同形成的总信号，蓝色点为模拟观测结果。可见光主要记录反射光，近红外逐渐由热辐射主导，两类信息的联合为进一步约束行星物理性质提供了基础。图源：Zhu et al. (2026), AJ, Figure 16。

科学意义与未来展望

当然，研究也表明，多波段测光并不意味着所有问题都能迎刃而解。行星在轨道上的位置会影响反射光的强弱，残余恒星光会限制微弱信号的测量精度，一些吸收较强的波段甚至可能无法获得可靠探测。因而，未来真正的科学产出还依赖于目标选择、观测时机、星光抑制能力以及后续数据处理水平。

从这一意义上说，本项研究把关注点从“能否看见”进一步推进到“看见后能够认识到什么程度”。研究建立了从行星大气模型、仪器观测模拟到物理参数反演的一套完整分析方法，也进一步明确了CPI-C可见光与近红外多波段各自承担的科学角色。

未来，下一代空间任务将聚焦类地行星成像探测和系外生命信号搜寻，系外行星直接成像终极目标将从“巨行星”走向“另一个生命星球”。CPI-C在可见光至近红外的多波段观测能力，能够打开理解巨行星的大气组成、云层结构和基本物理性质提供新的观测窗口，为我国空间开展系外行星直接成像和大气表征奠定科学基础，为人类未来搜寻和确认“系外第二家园”奠定重要基础。

研究论文

论文第一作者为南京天光所的特别研究助理朱轶名；通讯作者为南京天光所赵刚副研究员和窦江培研究员；合作者还包括南京天光所张熙副研究员，以及王钢、吕中华、牛炳力三位特别研究助理。该论文是紧接CPI-C仪器大论文（3月份在《天文与天体物理学杂志》专刊文章）后的科学文章，为CPI-C仪器与系外行星产出特色科学架起了桥梁。

相关文献：

1. Zhu, Y., Zhao, G., Zhang, X., et al. Optical-Near-infrared Multiband Photometric Analysis and Characterization of Giant Exoplanets with CPI-C. The Astronomical Journal, 2026. 172, 212 (25pp). 

https://doi.org/10.3847/1538-3881/ae9b04

2. Dou, J.P., Zhang, X., Zhao, G., et al. CPI-C: Cool Planet Imaging Coronagraph on Chinese Space Station Survey Telescope. Research in Astronomy and Astrophysics, 2026, 26: 055021(27pp). 

https://doi.org/10.1088/1674-4527/ae4a04

3. Dou, J. P., Wang, G., Zhu, Y. M., et al. The progress and core science of the Cool Planet Imaging Coronagraph (CPI-C) on Chinese Space-station Survey Telescope (CSST), Proc. of SPIE, 2026, 14145, 141450Y.

https://doi.org/10.1117/12.3103408