天文學(xué)家們尋找到了一顆巖石狀、地球大小的系外行星，以尋找大氣層的跡象，但一無(wú)所獲。以前在比我們地球大得多的行星上發(fā)現(xiàn)過(guò)大氣層，包括一些熱木星和亞海王星，它們主要由冰和氣體構(gòu)成。但這是科學(xué)家第一次能夠確定太陽(yáng)系外地球大小的類地行星是否有大氣層。

這顆被質(zhì)疑的行星，LHS 3844b，是由美國(guó)宇航局凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星TESS發(fā)現(xiàn)的，據(jù)測(cè)量其體積約為地球的1.3倍。這顆行星圍繞它的恒星運(yùn)行僅需要11個(gè)小時(shí)，這使它成為已知速度最快的系外行星之一。

這顆恒星本身是一顆小而冷m -矮星，距離地球只有49光年。在發(fā)表在《自然》上的一項(xiàng)研究中，LHS 3844b可能既沒(méi)有像金星一樣厚的大氣層，也沒(méi)有像地球一樣薄的大氣層。相反，這顆行星可能更像水星——一種起泡的光禿禿巖石行星。如果曾經(jīng)存在過(guò)大氣層，這顆恒星的輻射很可能在行星形成之初就將其摧毀。麻省理工學(xué)院地球、大氣和行星科學(xué)系博士后Daniel Koll說(shuō)：我們基本上發(fā)現(xiàn)了一顆沒(méi)有氣體的熱行星，這是我們第一次對(duì)m -矮星周圍行星的大氣層有了詳細(xì)了解。

m -矮星是最常見(jiàn)的恒星類型，這使得LHS 3844b成為銀河系中最常見(jiàn)的巖石行星。在這樣一片貧瘠的行星上，有任何一種生命能夠生存嗎？天文學(xué)家們表示，這是極不可能的，因?yàn)槿狈Υ髿鈱訒?huì)立即把行星表面的任何生物體都烤熟，但這并不意味著其他類地系外行星也同樣沒(méi)有覆蓋。第一作者、哈佛大學(xué)天體物理學(xué)中心的研究員勞拉·克雷德伯格(Laura Kreidberg)表示：我們從來(lái)沒(méi)有想過(guò)這顆特殊的行星會(huì)適合生命生存。還有的問(wèn)題是：圍繞較小恒星的這類行星是否有大氣層，技術(shù)是評(píng)估大氣是否存在的有力方法。

面臨暴露

LHS 3844b是麻省理工學(xué)院(mit)開(kāi)發(fā)TESS衛(wèi)星確認(rèn)的首批太陽(yáng)系外行星之一。TESS衛(wèi)星監(jiān)控著數(shù)千顆距離最近、最亮的恒星，觀察恒星光線的周期性短暫下降，這可能預(yù)示著一顆研究團(tuán)隊(duì)將LHS 3844b標(biāo)記為一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)樗暮阈敲髁燎译x太陽(yáng)系很近，因此科學(xué)家們可以用它作為詳細(xì)研究這顆行星的依據(jù)。由于LHS 3844b非常接近它的恒星，因此非常熱，所以天文學(xué)家們推斷它應(yīng)該釋放足夠的熱量來(lái)揭示它是否擁有大氣層的線索。

LHS 3844b是一顆潮汐鎖定的行星，這意味著它有一個(gè)永久性白天和黑夜的一面，就像月球總是向地球展示相同的一面一樣。如果有大氣層存在，它會(huì)將熱量在整個(gè)星球上循環(huán)，白天和黑夜所釋放的熱量大致相同。在沒(méi)有大氣層的情況下，白天的溫度要比夜晚高得多。當(dāng)這顆行星繞著恒星運(yùn)行時(shí)，觀察者可以看到那顆行星的不同面。當(dāng)它從恒星后面出來(lái)時(shí)，這顆行星的日面就暴露出來(lái)了。然后，當(dāng)它在恒星前面旋轉(zhuǎn)時(shí)，這顆行星會(huì)旋轉(zhuǎn)，以顯示它的黑夜一面，然后再轉(zhuǎn)回來(lái)，在再次穿過(guò)恒星后面之前，暴露它的白天一面。

如果能夠測(cè)量出這顆行星在軌道上不同表面發(fā)出的熱量，就能確定白天和黑夜之間的溫差，并最終確定這顆行星是否有大氣層。為了驗(yàn)證這個(gè)想法，研究小組使用了NASA的斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，這是一種測(cè)量紅外輻射或熱量的儀器，他們將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)LHS 3844b，觀察了100個(gè)小時(shí)，總共捕捉到了大約10條繞地球運(yùn)行的軌道，測(cè)量了這顆行星在每一個(gè)軌道上不同表面發(fā)出的熱量。對(duì)于體積更接近木星的行星，已經(jīng)做了很多這樣的測(cè)量，但這是第一次對(duì)M矮星周圍類地行星進(jìn)行這樣的測(cè)量。

在某個(gè)地方或許有

從測(cè)量中，天文學(xué)家計(jì)算出白天的溫度是1000開(kāi)爾文(約727攝氏度)，而夜晚的溫度則驟降至0攝氏度。劇烈的溫差表明，這顆行星并沒(méi)有像金星那樣厚的大氣層，可以將熱量均勻地分布在整個(gè)行星上。研究人員模擬了不同組成稀薄大氣層的各種情況，但發(fā)現(xiàn)沒(méi)有一種情況產(chǎn)生的熱量分布與觀測(cè)結(jié)果相符，這表明這顆行星也沒(méi)有類似地球的稀薄大氣層。有一種情況是，極薄的大氣層(類似于火星的大氣層)可能產(chǎn)生火星上劇烈的熱差。

然而發(fā)現(xiàn)，如此稀薄的大氣層不太可能保持穩(wěn)定，因?yàn)楹阈禽椛鋾?huì)迅速將行星周圍的任何微量氣體吹走，最終得出結(jié)論，LHS 3844b本質(zhì)上是一塊超熱的裸露巖石行星。但它可能是哪種巖石呢？在最后一步，研究小組試圖通過(guò)測(cè)量行星表面的反射率來(lái)確定組成。不同礦物反射不同程度的光——玄武巖是黑色的凝固熔巖，反射的光很少，而像花崗巖這樣顏色較淺的巖石，含有石英等礦物，反射率較高。為了計(jì)算行星的反射率，研究小組測(cè)量了恒星亮度與行星的亮度之比。

可以看到花崗巖樣的表面被研究數(shù)據(jù)排除在外，而像熔巖場(chǎng)、月球母馬或水星表面這樣的深色物質(zhì)則與觀察一致。盡管該小組得出結(jié)論，LHS 3844b上不存在任何大氣層，因此也不存在生命，但圍繞冷m矮星運(yùn)行的類似類地系外行星可能不存在這種情況。研究人員希望將此技術(shù)應(yīng)用到其他巖石系外行星上，包括那些離恒星更遠(yuǎn)、更有可能保留大氣層的行星。大氣層有助于保護(hù)生命，使其免受紫外線輻射，一些類地系外行星可以有大氣層，也許在那里的某個(gè)地方，會(huì)有一個(gè)合適的溫度，能夠保持液態(tài)水。

博科園｜研究/來(lái)自：麻省理工學(xué)院

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-019-1497-4

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