如今，探测距地球几十光年甚至几百光年的行星大气，听起来似乎不算什么了不起的事。在过去的二十多年里，科学家已经在几十颗系外行星上发现了有大气存在的迹象。但问题是，所有这些行星的大气层都是厚厚的、以氢为主的，因此相对易于研究。而那些可能存在于一些小型岩质系外行星周围的更薄的大气层，却非常难以捕捉。
现在，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，一组天文学家表明他们通过利用韦布空间望远镜（JWST）收集的数据，首次探测到太阳系外的一颗岩质行星周围的大气。这是迄今为止关于在岩质系外行星存在大气的最佳证据。
一颗神秘的超级地球
JWST研究的这颗行星被称为巨蟹座55e，它距离地球约41光年，环绕着巨蟹座中的一颗类太阳恒星巨蟹座55运行。
巨蟹座55e是一颗岩质行星，它的直径大约是地球的两倍，密度略大于地球，被归类为超级地球——那些比地球大、比海王星小，在成分上可能与太阳系中的岩质行星相似的系外行星。
巨蟹座55e比地球大，但比海王星等太阳系中的巨行星小。（图/NASA， ESA， CSA， Dani Player (STScI)）
然而，这颗“超级地球”完全不适宜居住。因为它距离宿主星非常近，只有200多万千米，大约是水星到太阳距离的1/25，是地球到太阳距离的1/65。因此，这颗行星的表面很可能是熔融的——这是一个有着沸腾的岩浆海洋的世界。
此外，由于巨蟹座55e距离宿主星如此之近，因此它很可能是被潮汐锁定的。也就是说，它的一面始终面向宿主星，另一面则永远处于黑暗中。
巨蟹座55e是一颗已经得到了广泛研究的系外行星，它是在2004年被首次发现的。2011年，天文学家首次捕捉到这颗行星凌星，之后，他们对这颗行星进行了大量的观测。但这些观测都无法告诉我们这颗行星是否有大气。这是因为探测这种岩质行星周围的大气是非常困难的，它们的大气往往更薄、密度更大。
过去对巨蟹座55e的研究，都是基于现已退役的斯皮策空间望远镜（SST）所收集的数据。这些研究结果表明，巨蟹座55e上存在大量挥发物，它们可能是氧气、氮气和二氧化碳。
但是，由于巨蟹座55e的温度非常高，因此还有另一种可能性，那就是高温会使得这颗行星上的一些熔岩蒸发，进而形成了一层薄薄的气化岩石覆盖在这颗行星表面。
那么要如何区分这两种可能性呢？
红外光的细微变化
2021年12月，JWST发射升空后，科学家开始利用JWST的近红外相机（NIRCam）和中红外仪器（MIRI）对这颗行星进行探测。尽管JWST无法直接拍摄巨蟹座55e的图像，但它可以测量这颗行星在绕恒星运行时发出的光的细微变化。
JWST测量了巨蟹座55e发射的4~12微米的红外光。通过将这颗行星位于宿主星一旁时的亮度（来自宿主星和行星的光的结合），减去次食（当行星在宿主星之后，只有星光的情况）期间的亮度，研究人员计算出了来自这颗行星面向恒星那侧的各个波长的红外光的量。
这种方法被称为次食光谱学。一些其他的研究团队已经利用这种方法在其他岩质系外行星（如TRAPPIST-1b）上寻找大气。
第一个表明巨蟹座55e可能有大气的证据，源自于对它进行的热辐射（以红外光形式释放的热能）的温度测量。对于这样一颗距离宿主星如此近的行星来说，如果它是被黑暗的熔融岩石覆盖，上面仅有一层薄薄的气化岩石，或者压根没有大气，那么它面向恒星一侧的温度应该在2200℃左右。
然而，MIRI捕捉到的数据显示，它的温度其实更低，只有约1540℃。这是一个强有力的迹象表明能量从白天的一侧分布到了黑夜的一侧，而这种能量转移很可能是由富含挥发物的大气实现的。虽然熔岩的流动也能将一部分热量从白天的一侧带到黑夜的一侧，但这不足以解释如此大的温度差。
另外，当研究人员查看NIRCam的数据时，他们看到了与富含挥发物的大气相符的模式。观测到的光谱在4~5微米之间存在一个下降，这表明抵达望远镜的这一波段的光有所减少，意味着这颗行星存在含有一氧化碳或二氧化碳的大气，因为它们会吸收这个波段的光。如果一颗没有大气，或者大气层只是由气化的岩石组成的，是不会出现这样的光谱特征的。
了解行星世界的独特窗口
在过去很长一段时间里，科学家一直在模拟不同的场景，试图想象巨蟹座55e是一个怎样的世界。现在，关于这个世界的一些信息终于得到了确认。
研究人员认为，覆盖在巨蟹座55e上的气体可能是从行星内部冒出来的，而不是从行星形成时就存在。因为对于这样一颗温度极高，且持续受恒星辐射攻击的行星来说，它最初的大气应该早就消失了。它的大气很可能是一个由岩浆海洋不断补充的，这些岩浆中不仅有晶体和液态岩石，还有很多溶解的气体。
虽然这颗行星不能支持我们所知道的生命，但科学家从它的身上能获得许多其他重要的见解。研究人员表示，研究巨蟹座55e，可以为研究其他岩质行星的大气、表面和内部之间的相互作用提供一个独特的窗口，并且还有可能为了解地球、金星和火星的早期状况提供线索，因为这几颗行星也被认为在很久以前曾被岩浆海洋覆盖。
在类地行星周围发现大气是系外行星研究的一个重要里程碑。地球的大气层对维持生命至关重要，能够在类似的类地行星上发现大气的存在，是在太阳系外寻找生命的重要一步。
参考来源：
https://webbtelescope.org/contents/news-releases/2024/news-2024-102
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01332-w#ref-CR1
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07432-x
本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗