天⽂学家使⽤美国国家航空航天局的詹姆斯·⻙布空间望远镜(JWST),⾸次探测到太阳系外⼀颗岩⽯⾏星的⼤⽓层富含⼆氧化碳或⼀氧化碳。尽管该⾏星可能被岩浆海洋覆盖,⽆法维持⽣命,但对其研究可增进对地球早期历史的了解。相关论⽂5⽉8⽇发表于《⾃然》。
未参与这项研究的美国麻省理⼯学院⾏星科学家Sara Seager说,在类地⾏星周围发现⼤⽓层是系外⾏星研究的⼀个重要⾥程碑。地球稀薄的⼤⽓层对维持⽣命⾄关重要,发现类地⾏星上的⼤⽓层是寻找太阳系外⽣命的重要⼀步。
JWST探测的这颗⾏星名为55 Cancri e,它围绕⼀颗类太阳恒星运⾏,被认为是⼀颗超级地球。这颗⽐地球稍⼤的类地⾏星,半径和重量分别约为后者的两倍和8倍,⼤⽓层厚度则为其半径的百分之⼏。
55 Cancri e不适合居住的⼀个原因是它离恒星很近——⼤约是地球到太阳距离的1/65。然⽽,美国喷⽓推进实验室(JPL)天体物理学家、论⽂作者之⼀Aaron Bello-Arufe说,它可能是被研究最多的岩⽯⾏星——相对于其他岩⽯⾏星,55 Cancri e要⼤得多,因此⽐其他系外⾏星更容易研究。
JWST于2021年12⽉发射后,⼯程师将其红外光谱仪指向55 Cancri e进⾏测试。这些仪器可以探测⾏星周围⽓体吸收恒星红外波⻓时的化学指纹。Bello-Arufe和同事随后决定进⾏更深⼊的分析,以确认这颗⾏星是否有⼤⽓层。
此前,天⽂学家已经多次改变了对55 Cancri e的看法。这颗⾏星于2004年被发现,起初,研究⼈员认为它可能是⼀颗类似⽊星的⽓态巨⾏星的核⼼。但在2011年,斯⽪策太空望远镜在这颗⾏星从其恒星前⽅经过时进⾏了观测,发现55 Cancri e实际上⽐⼀颗⽓态巨⾏星⼩得多,密度则⼤得多,是⼀颗“超级地球”。
⼏年后,研究⼈员注意到,对于⼀颗离⺟星如此近的⾏星来说,55 Cancri e的温度⽐它应有的温度要低,表明它可能有⼤⽓层。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,它被⼀个主要由氢和氦组成的膨胀的原始⼤⽓层所包围。但这些想法最终都被推翻了。
JPL的⾏星科学家、论⽂合著者胡仁宇(⾳)说,⼀颗离恒星如此近的⾏星会受到恒星⻛的轰击,很难抓住⼤⽓层中的挥发性分⼦。这存在两种可能性,⼀是这颗⾏星是完全⼲燥的,有⼀层由汽化的岩⽯组成的超薄⼤⽓层;⼆是它有⼀个由较重的挥发性分⼦组成的厚重的⼤⽓层,因⽽不容易流失。
最新数据表明,55 Cancri e的⼤⽓中含有碳基⽓体,这指向了第⼆种可能。Seager说,该团队收集了⼤⽓层的真实证据,但还需要进⾏更多观测以确定其完整成分、存在⽓体的相对数量及其精确厚度。
美国斯坦福⼤学⾏星地质学家Laura Schaefer对了解55 Cancri e的⼤⽓层如何与⾏星表⾯下的物质相互作⽤很感兴趣。他说,⼤⽓层仍有可能被恒星⻛侵蚀,但岩浆海洋中熔化的岩⽯和释放的⽓体可能会对其进⾏补充。“地球⾄少经历了⼀个岩浆-海洋阶段,也许是⼏个。”Schaefer说,“拥有岩浆海洋的⾏星可以帮助我们了解太阳系的早期历史。”