恐怖之地!首次對48.6光年外,環繞紅矮星的行星表面進行成像

博科園：本文為天文學類

系外行星研究不斷取得新發現。在克卜勒望遠鏡等任務的幫助下，科學家發現了4000多顆系外行星。隨著時間的推移，系外行星家族還將不斷壯大，對它們的了解也將不斷加深。在這種情況下，科學家的研究重點從「搜尋系外行星」轉到「確定它們的特徵」。現在，科學家首次對一顆環繞紅矮星的系外行星地表進行成像。雖然這顆星球的環境如同地獄，但這仍舊是系外行星研究領域的一項重要突破。

系外行星LHS 3844b藝術概念圖一支天文學家小組首次對一顆環繞紅矮星的系外行星的地表進行成像。藉助美國宇航局斯皮策太空望遠鏡的觀測數據，這支研究小組得以一瞥這顆行星的地表環境。雖然它的大氣非常稀薄，地表環境也對生命非常不友好，甚至可以用地獄形容，但這仍舊是系外行星研究領域的一大突破。研究論文刊登在《自然》雜誌上。

研究小組在他們的論文中指出他們觀測的系外行星LHS 3844b是一顆多巖行星，環繞一顆距地球48.6光年，溫度較低的M型紅矮星運行。凌星系外行星巡天望遠鏡（TESS）率先發現了LHS 3844b。它的半徑是地球的1.3倍，每11天環繞母星運行一周。

凌星系外行星巡天望遠鏡（TESS）藝術概念圖TESS利用中天法發現LHS 3844b。所謂的中天是指一顆行星在母星前方穿過，導致母星亮度發生周期性變化。在藉助斯皮策望遠鏡的紅外陣列相機（IRAC）進行的觀測中，研究小組探測到LHS 3844b地表反射的光線。

正常情況下，科學家很難探測到LHS 3844b表面反射的光線，因為這些光線會被更明亮的母星光線「淹沒」。不過，LHS 3844b環繞的軌道距離母星很近，可能被「潮汐鎖定」，也就是一側始終朝向母星。其結果是，LHS 3844b的陽面會出現770攝氏度的高溫，向外輻射大量紅外線。

斯皮策望遠鏡藝術概念圖這是斯皮策望遠鏡的觀測數據第一次提供M型矮星周圍一顆多巖行星的大氣層信息。這是一項特別令人鼓舞的研究成果，因為M型矮星是宇宙內最常見的恆星。僅在銀河系，它們的比例便達到75%。此外，它們也是壽命最長的恆星，能夠存在10萬億年之久。

不過，如果站在搜尋潛在宜居行星的角度，研究成果並不令人鼓舞。根據LHS 3844b的軌道以及斯皮策望遠鏡獲取的數據，這顆行星幾乎沒有大氣層，地表可能被冷卻的火山物質覆蓋。月球的黯淡區域「月海」也由這樣的物質構成。也就是說，LHS 3844b可能與水星或者月球類似。

系外行星LHS 3844b藝術概念圖。這顆行星可能被暗淡的火山巖覆蓋並且幾乎沒有大氣層LHS 3844b是一顆非常暗淡的行星。根據它的表面反射率，科學家得出LHS 3844b與水星或者月球類似的結論。研究論文合著者、噴氣推進實驗室研究系外行星的科學家胡倫宇和他的同事認為，LHS 3844b的表面可能被玄武巖（一種火山巖）覆蓋。他說：「我們知道月海由火山活動造就。這顆行星可能也有類似經歷。」

另一項不太令人鼓舞的發現是，LHS 3844b陽面與陰面之間的熱傳遞可以忽略不計。研究小組通過測算陽面與陰面的溫差得出這一結論。在這方面，LHS 3844b再次與水星和月球類似。水星和月球幾乎沒有大氣層，陽面和陰面存在巨大溫差。

科學家觀測到來自系外行星LHS 3844b的光線研究論文主執筆人、哈佛-史密森尼天體物理學中心研究員蘿拉·克雷德伯格表示，之所以存在極端的溫度差異，最可能的原因就是沒有大氣層。「這顆行星的溫差達到了所能達到的最大程度，與我們創建的一個無大氣層裸露太空巖石的模型非常匹配。」

不過，這項研究仍具有非常重要的意義。除了第一次對環繞紅矮星的多巖行星地表進行成像外，這項研究還提供了行星如何隨時間推移喪失大氣層的線索。在搜尋潛在宜居行星方面，這一點特別重要。

藝術概念圖，一顆環繞紅矮星的系外行星火星號稱「地球的雙胞胎兄弟」。地球保住了大氣層，進而允許地表存在液態水。相比之下，在數十億年的歲月變遷中，火星失去了大氣層，當前的大氣壓只有地球的0.5%左右。造成這種結果的原因在於，火星在形成和冷卻後不久便喪失了磁場。由於大氣層的喪失，火星表面經歷了劇烈的氣候變化，所有地表水喪失。

研究失去大氣層的系外行星——尤其是環繞紅矮星這種宇宙內最常見恆星的系外行星——能夠幫助天文學家進一步了解適居性的一個關鍵指標。克雷德伯格表示：「對於M型矮星周圍行星大氣層如何流失，我們提出了很多理論，但我們不能對它們進行實踐研究。現在，我們發現了系外多巖行星LHS 3844b。這是我們第一次根據觀測發現，確定一顆行星喪失了大氣層。」

TRAPPIST-1恆星系統藝術概念圖，存在多顆類地行星與我們的太陽（G型黃矮星）相比，M型紅矮星放射的光線較少，但紫外輻射的強度很高。此外，紅矮星年輕時候的活動非常劇烈，會產生大量耀斑，導致猛烈的輻射和粒子大爆發，進而剝離周圍行星的大氣層。

根據這項新研究，M型恆星周圍的多巖行星未必有一個光明的未來。有研究指出紅矮星系統是恆星適居區內最有可能發現多巖行星的所在。對於適居性研究，這項研究並未得出令人興奮的發現。但克雷德伯格指出他們的研究發現並不具有普遍性。他說：「我相信M型矮星周圍的其它行星仍有可能留住大氣層。太陽系的多巖行星富有多樣性，我認為系外行星系統也是同樣的情況。」

比鄰星b藝術概念圖，所環繞的半人馬座比鄰星是距離太陽最近的恆星。這顆行星距地球大約4.2光年，是已知距太陽系最近的系外行星由於對系外行星研究的重要意義，天文學家因這項研究成果而歡欣鼓舞。幾年後，備受期待的詹姆斯·韋伯望遠鏡將發射升空。這架望遠鏡擁有更出色的紅外成像能力，允許科學家對環繞紅矮星的多巖行星進行直接成像研究。這其中便包括比鄰星b（距地球最近的系外行星）以及由七顆行星構成的TRAPPIST-1系統。

斯皮策望遠鏡利用其IRAC儀器獲取TRAPPIST-1系統的數據。分析結果顯示TRAPPIST-1系統的某些行星可能存在水冰。未來十年，多架地面望遠鏡將啟動，允許科學家對附近的系外行星進行直接成像研究。為了節省資金，美國宇航局計劃在2020年2月終結斯皮策望遠鏡任務。與哈勃和克卜勒望遠鏡一樣，這架望遠鏡為天文學研究做出了巨大貢獻。

博科園｜文：馬特·威廉斯轉自：漫步宇宙/qqtaikong博科園｜科學、科技、科研、科普