天文学家表示，他们已使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 首次探测到一颗岩石行星外围的大气层。尽管这颗行星可能无法支持我们所知的生命，部分原因是它可能被岩浆海洋覆盖，但科学家们可能会从中了解一些关于地球早期历史的信息——地球也是一颗岩石行星，并且曾经是熔融状态。
马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的行星科学家萨拉·西格尔说，发现类地行星周围的气态包层是系外行星研究的一个重要里程碑，她没有参与这项研究。地球稀薄的大气层对于维持生命至关重要，能够发现类似类地行星上的大气层是寻找太阳系外生命的重要一步。
JWST 研究的这颗行星名为 55 Cancri e，围绕着一颗距离 12.6 秒差距的类太阳恒星运行，被认为是超级地球，一颗比地球稍大的类地行星——在本例中，半径约为地球的两倍，重量是地球的八倍多。根据今天发表在《自然》杂志上的一篇论文，它的大气层可能富含二氧化碳或一氧化碳，厚度“高达行星半径的百分之几”。
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一颗神秘的行星
55 Cancri e 不适宜居住的另一个原因是它非常靠近其恒星——大约是地球到太阳距离的六十五分之一。然而，“它可能是研究最多的岩石行星”，加利福尼亚州帕萨迪纳市喷气推进实验室 (JPL) 的天体物理学家、该论文的合著者亚伦·贝洛-阿鲁费说。它的主星在我们夜空中很明亮，而且由于它对于一颗岩石行星来说很大，因此比太阳系外的其他行星更容易研究。“你可以想到的每架天文望远镜或仪器都曾在某个时候指向过这颗行星，”贝洛-阿鲁费说。
55 Cancri e 得到了如此充分的研究，以至于在 JWST 于 2021 年 12 月发射后，工程师们将该天文台的红外光谱仪指向它进行测试。这些仪器可以探测到行星周围气体吸收星光中的红外波长时留下的化学指纹。贝洛-阿鲁费和他的同事随后决定深入挖掘，以确认这颗行星是否拥有大气层。
在最新的观测之前，天文学家对 55 Cancri e 的看法多次改变。这颗行星于 2004 年被发现。起初，研究人员认为它可能是类似于木星的气态巨行星的核心。但在 2011 年，斯皮策太空望远镜观测到这颗行星在其恒星前方经过，研究人员发现 55 Cancri e 实际上比气态巨行星小得多且密度大得多，使其成为一颗岩石超级地球。
几年后，研究人员注意到 55 Cancri e 比一颗如此靠近其恒星的行星应该有的温度更低，这表明它可能拥有大气层。一种假设是 这颗行星是一个被超临界水分子包围的“水世界”；另一种假设是它被主要由氢气和氦气组成的广阔的原始大气层包围。但这些想法最终都被证伪了。
JPL 的行星科学家、最新研究的合著者任宇胡说，一颗如此靠近其恒星的行星会受到恒星风的轰击，并且很难 удерживать 大气层中的挥发性分子。他说，剩下两种可能性。第一种可能性是这颗行星完全干燥，只有超薄的汽化岩石大气层。第二种可能性是它拥有由不易逸出的较重挥发性分子组成的稠密大气层。
更清晰的图景
最新数据表明，55 Cancri e 的大气层包含碳基气体，这指向了第二种选择。西格尔说，该团队收集到了大气层的真实证据，但还需要更多观测来确定其完整成分、存在的各种气体的相对数量及其精确厚度。
加利福尼亚州斯坦福大学的行星地质学家劳拉·谢弗对了解 55 Cancri e 的大气层如何与其行星表面下的物质相互作用感兴趣。该研究的作者表示，大气层仍然有可能受到恒星风的侵蚀，但气体可能会通过岩浆海洋中岩石的融化和释气得到补充。
“地球可能经历过至少一个岩浆海洋阶段，甚至可能经历过几个，”谢弗说。“拥有岩浆海洋的实际现实例子可以帮助我们了解太阳系的早期历史。”
本文经许可转载，并于 2024 年 5 月 8 日首次发表。