發現距離地球只有49光年,地球大小的類地行星,但沒有大氣層!

2020-12-06 博科園
博科園：本文為天文學類

天文學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，但一無所獲。以前在比我們地球大得多的行星上發現過大氣層，包括一些熱木星和亞海王星，它們主要由冰和氣體構成。但這是科學家第一次能夠確定太陽系外地球大小的類地行星是否有大氣層。這顆被質疑的行星，LHS 3844b，是由美國宇航局凌日系外行星勘測衛星TESS發現的，據測量其體積約為地球的1.3倍。這顆行星圍繞它的恆星運行僅需要11個小時，這使它成為已知速度最快的系外行星之一。

這顆恆星本身是一顆小而冷m -矮星，距離地球只有49光年。在發表在《自然》上的一項研究中，LHS 3844b可能既沒有像金星一樣厚的大氣層，也沒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。如果曾經存在過大氣層，這顆恆星的輻射很可能在行星形成之初就將其摧毀。麻省理工學院地球、大氣和行星科學系博士後Daniel Koll說：我們基本上發現了一顆沒有氣體的熱行星，這是我們第一次對m -矮星周圍行星的大氣層有了詳細了解。

m -矮星是最常見的恆星類型，這使得LHS 3844b成為銀河系中最常見的巖石行星。在這樣一片貧瘠的行星上，有任何一種生命能夠生存嗎？天文學家們表示，這是極不可能的，因為缺乏大氣層會立即把行星表面的任何生物體都烤熟，但這並不意味著其他類地系外行星也同樣沒有覆蓋。第一作者、哈佛大學天體物理學中心的研究員蘿拉·克雷德伯格(Laura Kreidberg)表示：我們從來沒有想過這顆特殊的行星會適合生命生存。還有的問題是：圍繞較小恆星的這類行星是否有大氣層，技術是評估大氣是否存在的有力方法。

面臨暴露

LHS 3844b是麻省理工學院(mit)開發TESS衛星確認的首批太陽系外行星之一。TESS衛星監控著數千顆距離最近、最亮的恆星，觀察恆星光線的周期性短暫下降，這可能預示著一顆研究團隊將LHS 3844b標記為一個理想的實驗室，因為它的恆星明亮且離太陽系很近，因此科學家們可以用它作為詳細研究這顆行星的依據。由於LHS 3844b非常接近它的恆星，因此非常熱，所以天文學家們推斷它應該釋放足夠的熱量來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，它會將熱量在整個星球上循環，白天和黑夜所釋放的熱量大致相同。在沒有大氣層的情況下，白天的溫度要比夜晚高得多。當這顆行星繞著恆星運行時，觀察者可以看到那顆行星的不同面。當它從恆星後面出來時，這顆行星的日面就暴露出來了。然後，當它在恆星前面旋轉時，這顆行星會旋轉，以顯示它的黑夜一面，然後再轉回來，在再次穿過恆星後面之前，暴露它的白天一面。

如果能夠測量出這顆行星在軌道上不同表面發出的熱量，就能確定白天和黑夜之間的溫差，並最終確定這顆行星是否有大氣層。為了驗證這個想法，研究小組使用了NASA的斯皮策太空望遠鏡，這是一種測量紅外輻射或熱量的儀器，他們將望遠鏡對準LHS 3844b，觀察了100個小時，總共捕捉到了大約10條繞地球運行的軌道，測量了這顆行星在每一個軌道上不同表面發出的熱量。對於體積更接近木星的行星，已經做了很多這樣的測量，但這是第一次對M矮星周圍類地行星進行這樣的測量。

在某個地方或許有

從測量中，天文學家計算出白天的溫度是1000開爾文(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，這顆行星並沒有像金星那樣厚的大氣層，可以將熱量均勻地分布在整個行星上。研究人員模擬了不同組成稀薄大氣層的各種情況，但發現沒有一種情況產生的熱量分布與觀測結果相符，這表明這顆行星也沒有類似地球的稀薄大氣層。有一種情況是，極薄的大氣層(類似於火星的大氣層)可能產生火星上劇烈的熱差。

然而發現，如此稀薄的大氣層不太可能保持穩定，因為恆星輻射會迅速將行星周圍的任何微量氣體吹走，最終得出結論，LHS 3844b本質上是一塊超熱的裸露巖石行星。但它可能是哪種巖石呢？在最後一步，研究小組試圖通過測量行星表面的反射率來確定組成。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。為了計算行星的反射率，研究小組測量了恆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據排除在外，而像熔巖場、月球母馬或水星表面這樣的深色物質則與觀察一致。儘管該小組得出結論，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應用到其他巖石系外行星上，包括那些離恆星更遠、更有可能保留大氣層的行星。大氣層有助於保護生命，使其免受紫外線輻射，一些類地系外行星可以有大氣層，也許在那裡的某個地方，會有一個合適的溫度，能夠保持液態水。

博科園｜研究/來自：麻省理工學院參考期刊《自然》DOI: 10.1038/s41586-019-1497-4博科園｜科學、科技、科研、科普

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