韦伯望远镜揭示意想不到的系外行星55 Cancri e的大气层

詹姆斯-韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）最近的观测发现了神秘的超级地球55 Cancri e，揭示了它的大气层可能由一氧化碳或二氧化物等气体组成。这一发现凸显了这颗行星由于靠近恒星而处于极端的环境中，并有可能为了解岩质行星的早期大气层提供启示。

这幅艺术家的概念图展示了系外行星 55 Cancri e 的模样。巨蟹座55号也被称为"杨森"，是一颗所谓的超级地球，是一颗比地球大得多但比海王星小得多的岩质行星，它绕恒星运行的距离只有140万英里（0.015个天文单位），不到18个小时就能完成一个完整的轨道运行（水星距离太阳的距离是巨蟹座55号的25倍）。(水星距太阳的距离是巨蟹座 55 号距其恒星距离的 25 倍）该系统还包括四颗大型气体巨行星，位于巨蟹座，距地球约 41 光年。资料来源：NASA、ESA、CSA、拉尔夫-克劳福德（STScI）

巨蟹座 55 是围绕巨蟹座中一颗类太阳恒星运行的五颗已知行星之一。这颗行星的直径几乎是地球的两倍，密度稍大，被归类为超级地球：比地球大，比海王星小，成分与太阳系中的岩石行星相似。

伯尔尼大学空间与宜居性研究中心（CSH）的 Brice-Olivier Demory 是NCCRPlanetS 的成员，也是这项刚刚发表在《自然》杂志上的研究的共同作者。

他说："巨蟹座 55 是最神秘的系外行星之一。尽管在过去的十年中，我们利用十几个地面和太空设施获得了大量的观测时间，但它的本质仍然难以捉摸，直到今天，詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）终于可以拼凑出部分谜题。"

出乎意料的是，这些观测结果表明，一颗高温、高辐照度的岩质行星有可能维持气态大气，这预示着JWST有能力描述围绕类太阳恒星运行的温度较低、可能适宜居住的岩质行星的特征。来自美国宇航局喷气推进实验室（JPL）的胡仁宇带领团队在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。他说："JWST确实将系外行星特征描述的前沿推向了岩质系外行星。"它真正实现了一种新型科学"。

CHEOPS 的艺术印象。图片来源：ESA / ATG medialab

Demory 是胡在麻省理工学院（MIT）时的同事之一，胡邀请他参加研究项目。Demory 从职业生涯一开始就一直在研究巨蟹座 55："作为麻省理工学院的博士后，我领导发现了55 Cancri e的首次凌日，2016年，我的团队发表了第一张岩石系外行星的地图，这就是55 Cancri e。"

2016年的研究结果已经暗示了巨蟹座55附近可能存在大气层。在本次研究中，Demory对JWST数据集进行了独立分析。他解释说"JWST在红外波段对这一图景进行了补充，显示出超级地球55 Cancri e周围可能存在大气层，其成分与一氧化碳或二氧化碳一致"。

超热的超级地球，仍然比预期的更冷

虽然巨蟹座 55 e 的成分与太阳系中的岩石行星相似，但将其描述为"岩石"可能会给人留下错误的印象。这颗行星的轨道离它的恒星如此之近（一个完整的轨道持续 18 个小时，而我们的地球则是 365 天），因此它的表面一定是熔融的--一个深邃的、冒着气泡的岩浆海洋。在如此紧密的轨道上，这颗行星也很可能被潮汐锁定，白天始终面向恒星，而夜晚则永远处于黑暗之中。胡解释说："这颗行星温度很高，一些熔岩应该会蒸发掉。"

虽然 JWST 无法捕捉到巨蟹座 55 的直接图像，但它可以测量该行星绕恒星运行时来自该系统的光线的微妙变化。研究小组利用 JWST 的 NIRCam（近红外相机）和 MIRI（中红外仪器）测量了来自该行星的红外光。通过将行星位于恒星后方的二次日食期间的亮度（仅恒星光）减去行星位于恒星旁边时的亮度（恒星和行星发出的光总和），研究小组能够同时计算出来自行星日侧多个波长的红外光量。

根据热辐射或以红外光形式散发的热能进行的温度测量，首次显示出坎昆里55号可能有大量大气层。如果这颗行星被黑暗的熔岩覆盖，只有一层薄薄的蒸发岩层，或者根本没有大气层，那么它的日面温度应该在 2200摄氏度左右。

胡仁宇说："相反，MIRI数据显示的温度相对较低，约为1500摄氏度。这非常有力地表明，能量正在从白天向夜晚分布，很可能是通过富含挥发性物质的大气层。虽然熔岩流可以将一些热量带到夜侧，但它们无法有效地将热量转移到夜侧，因此无法解释冷却效应。事实上，即使热量在地球上均匀分布，白天看起来也要比白天低几百度。如果地表发出的部分红外光被大气层吸收，永远无法到达望远镜，那么这种情况就说得通了。"

气泡岩浆海洋

研究小组认为，覆盖在巨蟹座 55 上的气体是从内部冒出来的。由于恒星的高温和强烈辐射，原生大气早已消失。这将是由岩浆海洋不断补充的次级大气。岩浆不仅仅是晶体和液态岩石，其中还有大量溶解气体。

虽然巨蟹座 55 太热，不适合居住，但它可以为研究岩质行星的大气、表面和内部之间的相互作用提供一个独特的窗口，或许还能为早期的地球、金星和火星提供启示，因为人们认为它们在很久以前就已经被岩浆海洋所覆盖。归根结底，我们希望了解是什么条件使岩质行星能够维持富含气体的大气层：这是宜居行星的关键要素。

编译来源：ScitechDaily