首次在宜居帶巖質(zhì)行星上探測到大氣證據(jù)

尋找遙遠(yuǎn)世界的大氣

天文學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了6000多顆圍繞其他恒星運(yùn)行的系外行星，其中許多都像地球一樣，是體積較小的巖質(zhì)行星。理論模型預(yù)測，大氣是決定行星宜居性的關(guān)鍵因素。巖質(zhì)系外行星的大氣可以調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)行星表面免受電離輻射，并為液態(tài)水的存在創(chuàng)造條件。

雖然科學(xué)家已經(jīng)在高溫氣態(tài)巨行星上探測到大氣，但要確認(rèn)體積更小、溫度更低的巖質(zhì)系外行星是否擁有大氣，仍然十分困難。包括韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）在內(nèi)的多臺望遠(yuǎn)鏡一直在積極搜尋，卻大多只發(fā)現(xiàn)了沒有大氣的巖質(zhì)世界。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)》的研究中，一個天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)在名為 LHS 1140 b 的超級地球周圍，探測到了大氣存在的證據(jù)。如果這一結(jié)果得到進(jìn)一步確認(rèn)，將成為理解巖質(zhì)系外行星大氣演化及其潛在宜居性的一項(xiàng)重要突破。

微弱的信號

尋找系外行星的大氣，尤其是尋找溫度適中、可能存在液態(tài)水的行星大氣，是發(fā)現(xiàn)潛在宜居行星的關(guān)鍵。天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量類似木星或土星的氣態(tài)巨行星，但這些行星不僅沒有巖質(zhì)表面，而且其中許多距離恒星極近，溫度高得驚人，因此并不適合生命生存。

行星的宿主星發(fā)出的強(qiáng)光已經(jīng)讓發(fā)現(xiàn)行星本身變得十分不易，而要進(jìn)一步探測行星更加微弱的大氣信號，就更加困難了。為了降低觀測難度，天文學(xué)家把注意力集中在一種體積較小、亮度較低的恒星上，也就是紅矮星（M型矮星）。這類恒星周圍似乎存在許多巖質(zhì)行星。

在許多研究中，科學(xué)家會利用凌星法來研究圍繞著這些恒星宜居帶運(yùn)行的行星。所謂凌星法，就是當(dāng)行星從宿主星前方經(jīng)過時，探測到的恒星亮度會出現(xiàn)的微小而周期性的下降。天文學(xué)家可以借此尋找被行星大氣氣體吸收的特定頻率的光。

但迄今為止，天文學(xué)家還沒有找到任何令人信服的證據(jù)。例如，距離地球僅41光年的M型矮星TRAPPIST-1周圍運(yùn)行著7顆地球大小的行星，但到目前為止，這些行星都沒有顯現(xiàn)出大氣存在的跡象。

理想的觀測目標(biāo)

在這項(xiàng)新的研究中，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個計算機(jī)模型，用來模擬系外行星大氣如何隨時間演化。這個模型尤其關(guān)注氫和氦等較輕元素的行為。這些元素往往會逐漸擴(kuò)散到行星大氣的外層，并率先在宿主星的加熱和爆發(fā)活動作用下被加熱逸散。

研究人員將這一模型應(yīng)用于距離地球49光年的LHS 1140 b。這顆系外行星于2017年被發(fā)現(xiàn)，圍繞著一顆年齡較老的紅矮星運(yùn)行，公轉(zhuǎn)周期僅為24.7天。它的質(zhì)量約為地球的5.6倍，半徑約為地球的1.7倍，接收到的恒星輻射約為地球的42%。

在這幅藝術(shù)構(gòu)想圖中，系外行星LHS 1140 b位于前景，周圍環(huán)繞著一層富含氦的大氣。在遠(yuǎn)處，另一顆鄰近的巖質(zhì)行星正圍繞同一顆低溫紅矮星運(yùn)行。（圖/Melissa Weiss/CfA）

這些特征與一顆整體組成和地球相似的巖質(zhì)行星相符。它可能擁有相當(dāng)厚的大氣，也可能被水或冰包裹，或者同時包含這三種成分。因此，它非常適合作為研究團(tuán)隊(duì)的觀測目標(biāo)。

此前的研究已經(jīng)明確排除了LHS 1140 b擁有稠密氫大氣的可能性，不過，天文學(xué)家也發(fā)現(xiàn)過一些尚無定論的跡象，暗示其大氣中可能存在氮等較重氣體。新模型的預(yù)測結(jié)果顯示，LHS 1140 b的高層大氣應(yīng)當(dāng)以氦為主。

捕捉逃逸的氦

為了尋找這些氦，研究團(tuán)隊(duì)利用安裝在麥哲倫望遠(yuǎn)鏡上的一臺強(qiáng)大儀器——WINERED光譜儀，對LHS 1140 b進(jìn)行了觀測。這臺儀器對近紅外波段中的氦吸收譜線十分靈敏。

具有高靈敏度的光譜儀WINERED，安裝在位于智利的拉斯坎帕納斯天文臺的麥哲倫望遠(yuǎn)鏡上。（圖/Milan Karol / Carnegie Science）

光譜是研究天體性質(zhì)的一種方式，可以用來分析天體的組成、速度和運(yùn)動狀態(tài)。光譜觀測會將宿主恒星發(fā)出的光分解成不同的組成部分，就像棱鏡能夠?qū)⒐夥纸獬刹屎缫粯?。?dāng)這些恒星光穿過系外行星的大氣時，天文學(xué)家便可以判斷其中存在哪些元素。

2024年的一個夜晚，研究團(tuán)隊(duì)對LHS 1140行星系統(tǒng)進(jìn)行了觀測。當(dāng)晚，LHS 1140 b和另一顆體積更小、距離恒星更近的行星LHS 1140 c，都從宿主恒星前方經(jīng)過。當(dāng)較大的LHS 1140 b凌星時，研究人員看到，在一個已知會被氦吸收的波長上，恒星光的亮度出現(xiàn)了下降。而當(dāng)較小的LHS 1140 c凌星時，他們沒有看到這樣的信號。

然而，在2025年的重復(fù)觀測中，研究人員卻沒有再次看到同樣的信號。這或許意味著，這顆行星的氦逃逸程度似乎會隨時間發(fā)生變化。

分層的大氣

結(jié)合早期觀測結(jié)果和系外行星演化模型，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，LHS 1140 b可能擁有一個分層程度很高的大氣層：高層大氣以氦為主、氫含量較低，而水等較重的化學(xué)成分則主要留存在更低、更接近行星表面的區(qū)域。

研究人員推測，這顆行星的大氣可能已經(jīng)保留了30多億年。2024年和2025年觀測結(jié)果的差異還表明，其氦逃逸過程可能會在人類能夠觀測到的時間尺度上發(fā)生變化。不過，這種變化的具體原因，以及氦信號能否得到獨(dú)立驗(yàn)證，仍有待更多觀測確認(rèn)。

這項(xiàng)研究不僅初步驗(yàn)證了團(tuán)隊(duì)建立的大氣演化模型，也表明，利用地面望遠(yuǎn)鏡尋找逃逸氣體，可能成為研究巖質(zhì)系外行星大氣的一種新方法。未來，研究人員還將進(jìn)一步確定LHS 1140 b的大氣組成，并利用這一模型尋找更多類似的行星。

#參考來源：

https://www.cfa.harvard.edu/news/first-atmosphere-detected-habitable-zone-rocky-world

https://carnegiescience.edu/detected-rocky-habitable-zone-exoplanet-atmosphere

https://www.science.org/content/article/astronomers-spot-first-atmosphere-around-potentially-habitable-alien-world

https://www.eurekalert.org/news-releases/1135962

#圖片來源：

封面圖&首圖：Melissa Weiss/CfA