首次在宜居帶巖質行星上探測到大氣證據

尋找遙遠世界的大氣

天文學家已經確認發現了6000多顆圍繞其他恒星運行的系外行星，其中許多都像地球一樣，是體積較小的巖質行星。理論模型預測，大氣是決定行星宜居性的關鍵因素。巖質系外行星的大氣可以調節氣候、保護行星表面免受電離輻射，并為液態水的存在創造條件。

雖然科學家已經在高溫氣態巨行星上探測到大氣，但要確認體積更小、溫度更低的巖質系外行星是否擁有大氣，仍然十分困難。包括韋布空間望遠鏡（JWST）在內的多臺望遠鏡一直在積極搜尋，卻大多只發現了沒有大氣的巖質世界。

在一項新發表于《科學》的研究中，一個天文學家團隊在名為 LHS 1140 b 的超級地球周圍，探測到了大氣存在的證據。如果這一結果得到進一步確認，將成為理解巖質系外行星大氣演化及其潛在宜居性的一項重要突破。

微弱的信號

尋找系外行星的大氣，尤其是尋找溫度適中、可能存在液態水的行星大氣，是發現潛在宜居行星的關鍵。天文學家已經發現了大量類似木星或土星的氣態巨行星，但這些行星不僅沒有巖質表面，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。

行星的宿主星發出的強光已經讓發現行星本身變得十分不易，而要進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行星。

在許多研究中，科學家會利用凌星法來研究圍繞著這些恒星宜居帶運行的行星。所謂凌星法，就是當行星從宿主星前方經過時，探測到的恒星亮度會出現的微小而周期性的下降。天文學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，天文學家還沒有找到任何令人信服的證據。例如，距離地球僅41光年的M型矮星TRAPPIST-1周圍運行著7顆地球大小的行星，但到目前為止，這些行星都沒有顯現出大氣存在的跡象。

理想的觀測目標

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

研究人員將這一模型應用于距離地球49光年的LHS 1140 b。這顆系外行星于2017年被發現，圍繞著一顆年齡較老的紅矮星運行，公轉周期僅為24.7天。它的質量約為地球的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%。

在這幅藝術構想圖中，系外行星LHS 1140 b位于前景，周圍環繞著一層富含氦的大氣。在遠處，另一顆鄰近的巖質行星正圍繞同一顆低溫紅矮星運行。（圖/Melissa Weiss/CfA）

這些特征與一顆整體組成和地球相似的巖質行星相符。它可能擁有相當厚的大氣，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隊的觀測目標。

此前的研究已經明確排除了LHS 1140 b擁有稠密氫大氣的可能性，不過，天文學家也發現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。新模型的預測結果顯示，LHS 1140 b的高層大氣應當以氦為主。

捕捉逃逸的氦

為了尋找這些氦，研究團隊利用安裝在麥哲倫望遠鏡上的一臺強大儀器——WINERED光譜儀，對LHS 1140 b進行了觀測。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鏡上。（圖/Milan Karol / Carnegie Science）

光譜是研究天體性質的一種方式，可以用來分析天體的組成、速度和運動狀態。光譜觀測會將宿主恒星發出的光分解成不同的組成部分，就像棱鏡能夠將光分解成彩虹一樣。當這些恒星光穿過系外行星的大氣時，天文學家便可以判斷其中存在哪些元素。

2024年的一個夜晚，研究團隊對LHS 1140行星系統進行了觀測。當晚，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過。當較大的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，恒星光的亮度出現了下降。而當較小的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生變化。

分層的大氣

結合早期觀測結果和系外行星演化模型，研究團隊認為，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，而水等較重的化學成分則主要留存在更低、更接近行星表面的區域。

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

這項研究不僅初步驗證了團隊建立的大氣演化模型，也表明，利用地面望遠鏡尋找逃逸氣體，可能成為研究巖質系外行星大氣的一種新方法。未來，研究人員還將進一步確定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