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首次在宜居带岩质行星上探测到大气证据

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寻找遥远世界的大气

天文学家已经确认发现了6000多颗围绕其他恒星运行的系外行星,其中许多都像地球一样,是体积较小的岩质行星。理论模型预测,大气是决定行星宜居性的关键因素。岩质系外行星的大气可以调节气候、保护行星表面免受电离辐射,并为液态水的存在创造条件。

虽然科学家已经在高温气态巨行星上探测到大气,但要确认体积更小、温度更低的岩质系外行星是否拥有大气,仍然十分困难。包括韦布空间望远镜(JWST)在内的多台望远镜一直在积极搜寻,却大多只发现了没有大气的岩质世界。

在一项新发表于《科学》的研究中,一个天文学家团队在名为 LHS 1140 b 的超级地球周围,探测到了大气存在的证据。如果这一结果得到进一步确认,将成为理解岩质系外行星大气演化及其潜在宜居性的一项重要突破。

微弱的信号

寻找系外行星的大气,尤其是寻找温度适中、可能存在液态水的行星大气,是发现潜在宜居行星的关键。天文学家已经发现了大量类似木星或土星的气态巨行星,但这些行星不仅没有岩质表面,而且其中许多距离恒星极近,温度高得惊人,因此并不适合生命生存。

行星的宿主星发出的强光已经让发现行星本身变得十分不易,而要进一步探测行星更加微弱的大气信号,就更加困难了。为了降低观测难度,天文学家把注意力集中在一种体积较小、亮度较低的恒星上,也就是红矮星(M型矮星)。这类恒星周围似乎存在许多岩质行星。

在许多研究中,科学家会利用凌星法来研究围绕着这些恒星宜居带运行的行星。所谓凌星法,就是当行星从宿主星前方经过时,探测到的恒星亮度会出现的微小而周期性的下降。天文学家可以借此寻找被行星大气气体吸收的特定频率的光。

但迄今为止,天文学家还没有找到任何令人信服的证据。例如,距离地球仅41光年的M型矮星TRAPPIST-1周围运行着7颗地球大小的行星,但到目前为止,这些行星都没有显现出大气存在的迹象。

理想的观测目标

在这项新的研究中,研究团队创建了一个计算机模型,用来模拟系外行星大气如何随时间演化。这个模型尤其关注氢和氦等较轻元素的行为。这些元素往往会逐渐扩散到行星大气的外层,并率先在宿主星的加热和爆发活动作用下被加热逸散。

研究人员将这一模型应用于距离地球49光年的LHS 1140 b。这颗系外行星于2017年被发现,围绕着一颗年龄较老的红矮星运行,公转周期仅为24.7天。它的质量约为地球的5.6倍,半径约为地球的1.7倍,接收到的恒星辐射约为地球的42%。


在这幅艺术构想图中,系外行星LHS 1140 b位于前景,周围环绕着一层富含氦的大气。在远处,另一颗邻近的岩质行星正围绕同一颗低温红矮星运行。(图/Melissa Weiss/CfA)

这些特征与一颗整体组成和地球相似的岩质行星相符。它可能拥有相当厚的大气,也可能被水或冰包裹,或者同时包含这三种成分。因此,它非常适合作为研究团队的观测目标。

此前的研究已经明确排除了LHS 1140 b拥有稠密氢大气的可能性,不过,天文学家也发现过一些尚无定论的迹象,暗示其大气中可能存在氮等较重气体。新模型的预测结果显示,LHS 1140 b的高层大气应当以氦为主。

捕捉逃逸的氦

为了寻找这些氦,研究团队利用安装在麦哲伦望远镜上的一台强大仪器——WINERED光谱仪,对LHS 1140 b进行了观测。这台仪器对近红外波段中的氦吸收谱线十分灵敏。


具有高灵敏度的光谱仪WINERED,安装在位于智利的拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦望远镜上。(图/Milan Karol / Carnegie Science)

光谱是研究天体性质的一种方式,可以用来分析天体的组成、速度和运动状态。光谱观测会将宿主恒星发出的光分解成不同的组成部分,就像棱镜能够将光分解成彩虹一样。当这些恒星光穿过系外行星的大气时,天文学家便可以判断其中存在哪些元素。

2024年的一个夜晚,研究团队对LHS 1140行星系统进行了观测。当晚,LHS 1140 b和另一颗体积更小、距离恒星更近的行星LHS 1140 c,都从宿主恒星前方经过。当较大的LHS 1140 b凌星时,研究人员看到,在一个已知会被氦吸收的波长上,恒星光的亮度出现了下降。而当较小的LHS 1140 c凌星时,他们没有看到这样的信号。

然而,在2025年的重复观测中,研究人员却没有再次看到同样的信号。这或许意味着,这颗行星的氦逃逸程度似乎会随时间发生变化。

分层的大气

结合早期观测结果和系外行星演化模型,研究团队认为,LHS 1140 b可能拥有一个分层程度很高的大气层:高层大气以氦为主、氢含量较低,而水等较重的化学成分则主要留存在更低、更接近行星表面的区域。

研究人员推测,这颗行星的大气可能已经保留了30多亿年。2024年和2025年观测结果的差异还表明,其氦逃逸过程可能会在人类能够观测到的时间尺度上发生变化。不过,这种变化的具体原因,以及氦信号能否得到独立验证,仍有待更多观测确认。

这项研究不仅初步验证了团队建立的大气演化模型,也表明,利用地面望远镜寻找逃逸气体,可能成为研究岩质系外行星大气的一种新方法。未来,研究人员还将进一步确定LHS 1140 b的大气组成,并利用这一模型寻找更多类似的行星。

#参考来源:

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

#图片来源:

封面图&首图:Melissa Weiss/CfA

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