第一颗有大气层的系外“地球”

55 Cancri e 与母星。

天文学家使用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST），首次探测到太阳系外一颗岩石行星的大气层富含二氧化碳或一氧化碳。尽管该行星可能被岩浆海洋覆盖，无法维持生命，但对其研究可增进对地球早期历史的了解。相关论文5月8日发表于《自然》。

未参与这项研究的美国麻省理工学院行星科学家Sara Seager说，在类地行星周围发现大气层是系外行星研究的一个重要里程碑。地球稀薄的大气层对维持生命至关重要，发现类地行星上的大气层是寻找太阳系外生命的重要一步。

JWST探测的这颗行星名为55 Cancri e，它围绕一颗类太阳恒星运行，被认为是一颗超级地球。这颗比地球稍大的类地行星，半径和重量分别约为后者的两倍和8倍，大气层厚度则为其半径的百分之几。

55 Cancri e不适合居住的一个原因是它离恒星很近——大约是地球到太阳距离的1/65。然而，美国喷气推进实验室（JPL）天体物理学家、论文作者之一Aaron Bello-Arufe说，它可能是被研究最多的岩石行星——相对于其他岩石行星，55 Cancri e要大得多，因此比其他系外行星更容易研究。

JWST于2021年12月发射后，工程师将其红外光谱仪指向55 Cancri e进行测试。这些仪器可以探测行星周围气体吸收恒星红外波长时的化学指纹。Bello-Arufe和同事随后决定进行更深入的分析，以确认这颗行星是否有大气层。

此前，天文学家已经多次改变了对55 Cancri e的看法。这颗行星于2004年被发现，起初，研究人员认为它可能是一颗类似木星的气态巨行星的核心。但在2011年，斯皮策太空望远镜在这颗行星从其恒星前方经过时进行了观测，发现55 Cancri e实际上比一颗气态巨行星小得多，密度则大得多，是一颗“超级地球”。

几年后，研究人员注意到，对于一颗离母星如此近的行星来说，55 Cancri e的温度比它应有的温度要低，表明它可能有大气层。一种假设是，这颗行星是一个被超临界水分子包围的“水世界”；另一种假设是，它被一个主要由氢和氦组成的膨胀的原始大气层所包围。但这些想法最终都被推翻了。

JPL的行星科学家、论文合著者胡仁宇（音）说，一颗离恒星如此近的行星会受到恒星风的轰击，很难抓住大气层中的挥发性分子。这存在两种可能性，一是这颗行星是完全干燥的，有一层由汽化的岩石组成的超薄大气层；二是它有一个由较重的挥发性分子组成的厚重的大气层，因而不容易流失。

最新数据表明，55 Cancri e的大气中含有碳基气体，这指向了第二种可能。Seager说，该团队收集了大气层的真实证据，但还需要进行更多观测以确定其完整成分、存在气体的相对数量及其精确厚度。

美国斯坦福大学行星地质学家Laura Schaefer对了解55 Cancri e的大气层如何与行星表面下的物质相互作用很感兴趣。他说，大气层仍有可能被恒星风侵蚀，但岩浆海洋中熔化的岩石和释放的气体可能会对其进行补充。

“地球至少经历了一个岩浆-海洋阶段，也许是几个。”Schaefer说，“拥有岩浆海洋的行星可以帮助我们了解太阳系的早期历史。”

（李木子）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07432-x