韦伯望远镜观测结果认为系外行星Trappist-1b可能拥有大气层

研究人员使用詹姆斯·韦伯太空望远镜研究了 Trappist-1 b，发现它可能具有易挥发的表面，并且可能有大气层，尽管之前人们认为它是一颗没有大气层的暗色岩石天体。初步观察表明它没有大气层，但进一步分析表明它有可能存在厚厚的二氧化碳大气层，受到与土星卫星泰坦类似的碳氢化合物雾霾的影响。计划进行更多广泛的研究以证实这些发现。

这是 Trappist-1 b 经过寒冷的红矮星 Trappist-1 后方前不久的艺术效果图。此类恒星以大型星斑和喷发活动而闻名。Trappist-1 b 可能会经历剧烈的火山活动。图片来源：Thomas Müller (HdA/MPIA)

Trappist-1 b 是围绕恒星 Trappist-1 运行的七颗岩石行星之一，距离地球 40 光年。这个行星系统之所以引人注目，是因为它为天文学家提供了近距离研究多颗类地行星的难得机会。其中三颗行星位于“宜居带”，即表面可能存在液态水。到目前为止，已有十个研究项目使用詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 观测了该系统，总共 290 小时。

最新研究由海德堡马克斯·普朗克天文研究所 (MPIA) 的研究人员参与，由法国巴黎原子能委员会 (CEA) 的 Elsa Ducrot 领导。该团队使用 JWST 的中红外成像仪 (MIRI) 测量了 Trappist-1 b 的热红外辐射（本质上是它的热特征）。该研究结果现已发表在《自然天文学》杂志上，以去年的研究为基础，该研究将 Trappist-1 b 描述为一颗黑暗的岩石行星，没有可探测到的大气层。

“然而，岩石行星表面风化严重且没有大气层的设想与目前的测量结果不一致，”MPIA 天文学家 Jeroen Bouwman 说道，他共同负责了该观测项目。“因此，我们认为该行星被相对不变的物质覆盖。”通常，表面会受到中心恒星辐射和陨石撞击的风化。然而，结果表明，表面岩石的年龄最多约为 1000 年，比行星本身的年龄要小得多，后者估计可追溯到几十亿年前。

这可能表明该行星的地壳正在发生剧烈变化，这可以用极端火山活动或板块构造来解释。即使这种情况目前仍是假设的，但它仍然是合理的。这颗行星足够大，其内部可能保留了形成时的余热——就像地球一样。中心恒星和其他行星的潮汐效应也可能使 Trappist-1 b 变形，从而产生内部摩擦产生热量——类似于我们在木星的卫星 Io 中看到的情况。此外，附近恒星的磁场感应加热也是可以想象的。

“数据还允许完全不同的解决方案，”MPIA 名誉主任 Thomas Henning 说道。他是 MIRI 仪器的主要设计者之一。“与以前的想法相反，在某些情况下，该行星可能会拥有富含二氧化碳 (CO2) 的厚厚大气层，”他补充道。在这种情况下，碳氢化合物产生的雾霾，即高层大气中的烟雾，起着关键作用。

这两个观测项目在当前研究中相互补充，旨在测量 Trappist-1 b 在热红外范围（12.8 和 15 微米）不同波长下的亮度。第一次观测对行星红外辐射被一层二氧化碳吸收很敏感。然而，没有测量到任何变暗，这让研究人员得出结论，这颗行星没有大气层。

研究小组进行了模型计算，结果表明雾霾可以逆转富含二氧化碳的大气层的温度分层。通常，由于气压较高，较低的地面层比上层更温暖。当雾霾吸收星光并变暖时，它会在温室效应的作用下加热上层大气。结果，那里的二氧化碳本身会发出红外辐射。

我们在土星的卫星土卫六上也看到了类似的情况。它的雾霾层很可能是在太阳紫外线 (UV) 辐射的影响下形成的，紫外线来自大气中富含碳的气体。特拉普斯特-1 b 上也可能发生类似的过程，因为它的恒星会发出大量的紫外线辐射。

即使数据符合这一假设，天文学家仍然认为这种可能性较小。一方面，从富含二氧化碳的大气中产生形成雾霾的碳氢化合物更加困难，但并非不可能。然而，土卫六的大气主要由甲烷组成。另一方面，问题仍然是活跃的红矮星（包括 Trappist-1）产生的辐射和风很容易在数十亿年内侵蚀附近行星的大气层。

Trappist-1 b 是一个生动的例子，说明目前探测和确定岩石行星的大气层有多么困难——即使对于 JWST 来说也是如此。与气体行星相比，它们很薄，只能产生微弱的可测量特征。对 Trappist-1 b 的两次研究提供了两个波长的亮度值，持续了近 48 小时，这不足以毫无疑问地确定该行星是否有大气层。

观测利用了行星平面相对于我们视线到 Trappist-1 的轻微倾斜。这种方向导致七颗行星在每次轨道运行期间从恒星前面经过并略微变暗。因此，这可以通过多种方式了解行星的性质和大气。

所谓的凌日光谱法已被证明是一种可靠的方法。这涉及根据波长测量恒星被其行星变暗的情况。除了不透明行星体的掩星（天文学家据此确定行星的大小）之外，大气气体还会吸收特定波长的星光。由此，他们可以推断出行星是否有大气层以及大气层由什么组成。不幸的是，这种方法有缺点，尤其是对于像 Trappist-1 这样的行星系统。凉爽的红矮星通常会出现大的星斑和强烈的喷发，从而严重影响测量。

天文学家在很大程度上规避了这个问题，而是通过观察恒星在热红外光中加热的系外行星的一侧，就像目前对 Trappist-1 b 的研究一样。在行星消失在恒星后面之前和之后，明亮的白天一侧特别容易看到。行星释放的红外辐射包含有关其表面和大气的信息。然而，这种观察比凌日光谱更耗时。

鉴于这些所谓的二次日食测量的潜力，NASA 最近批准了一项广泛的观测计划，以研究附近低质量恒星周围的岩石行星的大气层。这个非凡的计划，即“岩石世界”，包括使用 JWST 进行 500 小时的观测。

研究小组希望能够使用另一种观察方式获得明确的确认。它记录了行星围绕恒星的完整轨道，包括从经过恒星前方的黑暗夜侧到被恒星遮挡前后不久的明亮日侧的所有照明阶段。这种方法将使团队能够创建一个所谓的相位曲线，指示行星沿其轨道的亮度变化。因此，天文学家可以推断出行星表面的温度分布。

该团队已经使用 Trappist-1 b 进行了这种测量。通过分析行星上的热量分布情况，他们可以推断出大气层的存在。这是因为大气层有助于将热量从日侧传输到夜侧。如果温度在两侧过渡时突然变化，则表明没有大气层。

编译自/scitechdaily