首次在宜居帶類地行星上發現大氣層

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄

周三 · 視頻天象|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索

翻譯：王婧彧

校對：申振宇 劉海牧

美編：張榮娜

后臺：李子琦

https://www.space.com/astronomy/exoplanets/astronomers-discover-1st-atmosphere-around-a-rocky-earth-like-planet-in-the-habitable-zone

一張藝術家概念圖，展示了位于前景的系外行星LHS 1140b，它被含有氦氣的大氣層所包圍。背景是它的紅矮星，還有另一顆行星在其軌道上運行。

圖源：哈佛-史密松森天體物理中心

這可能是我們目前在尋找可能支持生命的行星方面取得的最接近的成果：天文學家首次在一顆圍繞其恒星宜居帶運行的類地巖石行星周圍探測到了大氣層，這是一個具有里程碑意義的首創。

這顆名為LHS 1140 b的巖石行星距離地球48光年，根據這項新研究，它擁有一個包含氦氣的大氣層。這也是第一顆被直接探測到擁有大氣層的巖石行星。這是被發現的第一顆帶有大氣層且同時位于宜居帶的巖石行星，這意味著它與恒星的距離恰到好處，行星上可能存在液態水。隨著我們繼續在宇宙中尋找可以被認為是“宜居”的行星，這顆行星滿足的條件比我們以往見過的幾乎所有天體都要多。

最近剛在哈佛大學獲得博士學位的論文第一作者科林·切魯賓（Collin Cherubim）告訴Space.com：“我們實際上直接探測到了大氣層本身中存在的氦氣，這是對任何巖石系外行星的首次直接探測，這真令人興奮……此外還有一個額外的驚喜，那就是它位于宜居帶，這對天體生物學、宜居性和尋找生命來說非常令人激動，這感覺有些超現實。”

這顆行星是什么樣的？

讓我們探索一下這顆行星以及它“居住”的系統。

這顆系外行星（即太陽系外的行星），最初是由天文學家杰森·迪特曼（Jason Dittmann）領導的團隊在2017年發現的，他現在也是這項新發現的合著者。

“這顆行星大約在10年前就被發現了，而我們直到現在才說，好吧，那是大氣層。”迪特曼告訴Space.com：“我們正在慢慢縮小范圍并勾選這些選項……我們發現了一顆由巖石組成的行星，一顆溫度適宜的行星，而現在……就像是，好吧，我們終于找到了一顆擁有大氣層的行星。”

迪特曼說，作為一顆巖石行星，“肯定有一個表面……它是由巖石組成的”。這顆行星的表面看起來像什么？我們目前還無法斷言，但發現該行星大氣層的研究人員認為它極有可能擁有水。

雖然它圍繞著一顆比太陽更小、更冷的紅矮星運行，但它的軌道比我們離我們的恒星更近，從而保持著使其處于“金發姑娘區”（宜居帶）的溫度，在那里液態水可能存在于其表面。切魯賓說：“它可能還有大量的水。如果它有一些可以提供一點溫室效應的大氣層（我們現在知道它確實有）……那么它很可能成為我們所認為的地球上的宜居條件，以及可能支持液態水的條件。”

那么它是類地行星嗎？切魯賓分享道，雖然它絕對不是地球的復制品，但這顆行星在兩個主要方面可以被認為是類地的。第一：它的整體構成。這顆行星是巖石星球，很可能有一個鐵核，并且（我們現在知道）它擁有大氣層。第二：這顆行星的溫度恰好適合液態水存在，至少就我們在地球上對生命的理解而言，這是生命所必需的。

尋找大氣層

第一顆系外行星的發現是在30多年前被證實的。從那以后，科學家們已經發現了6000多顆系外行星，并且數量還在不斷增加。雖然在其恒星宜居帶內也發現了幾顆巖石行星，但直到現在，才證實了一顆位于宜居帶內的巖石行星周圍存在大氣層。

科學家們之所以難以找到這種擁有大氣層的行星，原因之一在于它們的恒星。LHS 1140 b圍繞著最常見的一類恒星——紅矮星運行，其大小約為我們太陽的三分之一。這種類型的恒星保持活躍的時間比像我們太陽這樣的恒星要長得多。這種活躍意味著它會釋放出極端的輻射爆發，比如耀斑和日冕物質拋射。通常情況下，這些恒星周圍的極端輻射會完全剝離圍繞它們運行的行星的大氣層，因此天文學家一直想知道圍繞這些恒星運行的行星是否有可能擁有大氣層。

切魯賓說：“這項發現意義重大，因為它表明，至少這顆巖石行星在數十億年里保留了大氣層。”這是“一種真實的、有力的說法，證明大氣層能夠存在于巖石系外行星上”。

這顆行星的大氣層中可能有除氦氣之外的其他氣體，且它的部分大氣層也可能以前被其恒星的輻射剝離了。但是這顆行星圍繞運行的紅矮星大約有60億年的歷史，比它們極端輻射活動開始平靜下來的年齡要早幾十億年。因此，迪特曼分享說，盡管隨著時間的推移一些氦氣仍在慢慢逃逸出這顆行星的大氣層，但團隊預計這顆行星會保留大氣層。畢竟，即使是地球上的氦氣也正在從我們自己的大氣層中慢慢逃逸。

證明就在大氣層中

為了證明這顆行星有大氣層，該團隊從切魯賓在研究生院時做出的一個預測開始。這一切始于一個理論模型和一種隱約的猜想：肯定存在除地球之外擁有大氣層的巖石系外行星。

切魯賓說：“這源于一個行星演化模型的非常具體的預測，這個模型實際上是我作為一名理論學者在攻讀博士期間，從第一性原理出發、從零開始親自開發的，而且我對這顆行星做出了一個非常具體的預測。然后我做了一件相當出乎意料、有點不同尋常的事情，使用了一種通常專門用于觀察巨行星的技術，而我把它用在了一顆巖石行星上，這在以前是沒人做過的。”

“你瞧，我做出的這項測量結果居然與我的預測一致。能以這種方式完成整個科學方法的閉環真的很棒。”

該團隊采用了切魯賓在研究生階段開發的理論模型，并利用位于智利的麥哲倫天文臺的溫紅外階梯光柵（WINERED）光譜儀對其進行了測試。通過他們的觀察，他們能夠看到LHS 1140 b和另一顆行星在同一個晚上都凌星，即從它們的恒星前方經過。利用這些光譜數據，他們可以在這些行星從恒星前方經過時，識別出它們大氣層中的分子特征。雖然其中一顆行星沒有產生任何結果，但這顆行星展現出了直接的、不可否認的氦氣特征。

有外星人嗎？

當觀察一顆多巖石、有大氣層且位于宜居帶（意味著它可能有液態水）的行星時，關于生命的問題很快就會浮現出來。

但是研究人員沒有足夠的數據來做出這種推測。切魯賓明確表示：“我并不是說這顆行星上存在生命。”通過進一步的調查，科學家們可以更好地了解這顆行星的大氣層中可能還有什么，并且他們可以確認它是否有水。進一步的觀測可能無法確認其宜居性或發現該行星上的任何生命，但至少可以幫助我們更好地了解像這樣的行星。

由于這是被發現的第一顆此類行星，進一步的探索將有助于我們將所有線索拼湊起來。但這無疑是人類為了回答“我們是孤獨的嗎？”這個永恒問題而邁出的重要一步。

這項工作在發表于《科學》（Science）雜志上的一項研究中進行了描述。

責任編輯：楊宜修

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

智利麥哲倫天文臺

圖源：網絡

謝謝閱讀