岩石类系外行星可能的大气环境

研究人员使用NASA的詹姆斯·韦伯空间望远镜可能已经探测到了55 Cancri e这颗距离地球41光年的炽热岩石外行星周围的大气气体。这是迄今为止在太阳系之外存在任何岩石行星大气的最佳证据。

55 Cancri e，也被称为詹森，是环绕类太阳恒星55 Cancri的五颗已知行星之一，位于巨蟹座。该行星直径几乎是地球的两倍，密度略高，被归类为超级地球：比地球大，比海王星小，并且可能与我们太阳系中的岩石行星类似。

然而，将55 Cancri e描述为“岩石行星”可能会给人一个错误的印象。这颗行星距离其恒星非常近（约140万英里，相当于水星和太阳之间距离的1/25），使得其表面很可能是熔岩——翻滚的岩浆之海。由于轨道非常紧密，这颗行星很可能受到潮汐锁定，白天始终面向恒星，夜晚则永远处于黑暗之中。

尽管自2011年发现其凌日以来进行了多次观测，但关于55 Cancri e是否有大气层——甚至是否可能在其温度极高且不断受到恒星辐射和恒星风侵袭的情况下拥有大气层——这个问题一直没有得到答案。

使用NASA现已退役的斯皮策空间望远镜的数据进行的之前对55 Cancri e的研究表明，该行星可能存在富含挥发性物质（在地球上以气态存在的分子）的大气层，比如氧气、氮气和二氧化碳。但研究人员无法排除另一种可能性：该行星可能是裸露的，除了薄薄的蒸发岩石外，还富含硅、铁、铝和钙等元素。 "这颗行星非常炽热，以至于部分熔岩应该会蒸发"，华人说。

为了区分这两种可能性，研究团队使用了韦伯的NIRCam（近红外摄像机）和MIRI（中红外仪）来测量来自55 Cancri e的4-12微米红外光。

尽管韦伯望远镜无法直接捕获55 Cancri e的图像，但它可以测量行星绕恒星运转时系统中光的微小变化。

通过将次级食（当行星在恒星背后时，只有恒星的光）的亮度减去行星正好在恒星旁边时（恒星和行星的光合并）的亮度，研究团队能够计算出来自行星白昼的各种波长的红外光的数量。

这种方法被称为次级食光谱学，类似于其他研究团队用来搜索其他岩石外行星大气层的方法，比如TRAPPIST-1 b。

首次表明55 Cancri e可能具有实质大气层的迹象来自基于其热辐射的温度测量。如果该行星被覆盖在黑暗的熔岩岩石上，带有薄薄的蒸发岩石或根本没有大气层，其白昼表面应该在华氏4000度（摄氏2200度）左右。

"相反，MIRI数据显示出了约2800华氏度（摄氏1540度）的相对较低温度"，华人说。 "这非常明显地表明能量正在从白昼分布到黑夜，很可能是由富含挥发物质的大气层所致。虽然熔岩流可以将一些热量传输到夜晚，但它们不能有效地将热量传输到解释冷却效应。"

当团队查看NIRCam数据时，他们看到了与富含挥发物质大气层一致的模式。 "我们看到证据表明在4至5微米的光谱中有一个下降——更少的光能到达望远镜"，来自NASA JPL的合著者阿龙·贝洛-阿鲁费解释说。 "这表明大气层中含有一氧化碳或二氧化碳，它们吸收这些波长的光。" 一个没有大气层或只含有蒸发岩石的大气层的行星不会有这个特殊的光谱特征。

研究团队认为包裹55 Cancri e的气体将从内部冒出，而不是从该行星形成以来一直存在。 "原始大气层早就消失了，因为高温和恒星的强烈辐射"，贝洛-阿鲁费说。 "这将是一个由熔岩海不断补充的次级大气层。熔岩不仅仅是晶体和液态岩石；其中也有大量的溶解气体。"

虽然55 Cancri e过热无法居住，研究人员认为它可能为研究岩石行星的大气层、表面和内部之间的相互作用提供了独特的窗口，并且可能为地球、金星和火星早期条件提供见解，这些行星被认为在过去曾被熔岩海覆盖。 "最终，我们想要了解是什么条件使岩石行星能够维持富含气体的大气层：这是一个适宜生命的关键因素"，华人说。

这项研究是作为Webb的一般观察者（GO）项目1952的一部分进行的。目前正在进行55 Cancri e的其他次级食观测数据分析。