韦伯望远镜揭示一颗如同水星般漆黑无气的“超级地球”

一颗临近的“超级地球”正为科学家提供难得机会，让他们直接窥见一颗遥远岩石行星裸露的表面，而它与地球的相似之处寥寥。 这颗行星名为 LHS 3844 b，最新观测显示，它是一个炽热、黑暗、没有大气包裹的世界，表面成分和地质状态更接近月球或水星，而非类地行星。

科研团队利用美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）上的中红外仪器 MIRI，对这颗行星的日面进行了精细观测。 研究由曾在德国海德堡马克斯·普朗克天文学研究所（MPIA）攻读博士的塞巴斯蒂安·齐巴领衔，MPIA 所长、项目首席研究员劳拉·克赖德伯格参与其中。 相比以往主要聚焦系外行星大气，这项工作进一步将研究前沿推进到“系外行星地质学”——尝试直接约束太阳系外岩石行星的表面组成与演化历史。 相关成果发表于《自然·天文学》期刊。

LHS 3844 b 是一颗岩石行星，半径比地球大约大 30%。 它围绕一颗冷红矮星超近距离运行，公转周期仅约 11 小时，行星与母星的距离只有约三个恒星直径。 如此紧密的轨道导致行星处于潮汐锁定状态，一面永远朝向恒星炽烤，另一面则长期处于黑暗之中。 其日面温度高达约 1000 开尔文（约 725 摄氏度），整个行星系统距离地球仅约 48.5 光年。

得益于韦布望远镜卓越的灵敏度，科研人员得以直接测量来自这颗岩石行星表面的热辐射亮度。 “我们看到的是一块黑暗、炽热、贫瘠的岩石，完全没有任何可探测的大气，”克赖德伯格如此形容观测结果。 由于望远镜无法直接分辨出行星圆面，研究人员采用的是“次级食”和“相位曲线”技术，通过追踪整个系统总亮度随轨道变化的微弱起伏，反演行星日面发出的红外辐射。

MIRI 在 5–12 微米波段对系统进行观测，并将这一波段进一步划分为更细的子波段，从而获取行星日面辐射的中红外光谱分布。 团队还将此前斯皮策空间望远镜的数据纳入分析，以提高光谱拟合的稳健性。 通过对比不同波长处的亮度与理论模型，科研人员得以检验多种潜在的表面物质组合，从地球花岗质地壳到月球式玄武岩和幔源熔岩等。

计算结果明确排除了类似地球大陆地壳的表面场景。 地球的富硅酸盐花岗质地壳通常通过漫长的板块构造和岩浆再循环形成，往往需要液态水参与，反复的熔融与分异使轻质矿物逐渐漂浮至表层。 齐巴指出，LHS 3844 b 的光谱看不到这种富硅酸盐、花岗质地壳的迹象，这意味着地球式板块构造要么在这颗行星上从未发生，要么早已停止并且难以发挥作用。 这也暗示该行星内部可用水分含量极低，与习惯意义上的“类地行星”存在本质差异。

与之相反，观测更支持一个“玄武岩主导”的表面景象。 数据最符合的模型是大面积由幔源岩浆凝固形成的玄武质岩石，类似地球上广袤的玄武岩平原，或月球上的“月海”。 这类岩石通常富含镁和铁，包含如橄榄石在内的多种铁镁硅酸盐矿物。 拟合表明，较为粗糙的岩石或砾石层同样可以很好匹配观测，而单一由细粉尘构成的表面则过于明亮，与当前观测不符。

由于缺乏大气屏障，LHS 3844 b 的表面完全暴露在母恒星辐射和流星体轰击之下，长期遭受所谓“空间风化”作用。 这些过程会逐渐将坚硬岩石破碎成类似月球风化层的细小颗粒，并在其表面富集铁和碳，使物质变得更暗、更吸热。 齐巴指出，正是这种风化后的暗色风化层，使得行星表面的整体光学和红外性质与观测结果更加一致。

基于现有数据，团队提出了两种可能的表面演化图景。 第一种是行星表面广泛覆盖相对“年轻”的玄武质岩石，暗示近期或持续的火山活动不断向表面输送新鲜熔岩。 第二种则是长期空间风化主导的“老旧”表面：曾经的岩浆平原在亿万年间被辐照和撞击反复加工，如同月球或水星那样被厚厚的暗色风化层覆盖。 从光谱形态看，这后一种“长期静默”的场景与观测更加相符。

要区分这两种场景，一个关键指标是行星上是否存在正在进行的火山活动。 在许多地质活跃天体上，火山会释放出大量气体，其中二氧化硫（SO₂）是典型的示踪物之一。 如果 LHS 3844 b 具有强烈的当代火山活动，MIRI 理论上应能在中红外光谱中识别出 SO₂ 的特征吸收带。 然而，观测并未发现这类特征，这使近期火山活动的可能性大大降低，反而支持其表面已经长期“冷却休眠”的解释，从而在面貌上更接近水星。

为了进一步厘清这颗行星的真实面貌，研究团队已经规划了更多后续的 JWST 观测。 其中一项关键工作是测量行星表面在不同视角下的热辐射与反射特性，通过光的散射方式来区分粗糙岩石面与相对平滑或松散的物质。 这类技术已经在太阳系内小行星研究中取得成功，如今被移植到系外行星领域，有望让科学家判定 LHS 3844 b 的表层究竟是整块岩石板、熔岩平原，还是厚实的粉末与碎块堆积。

克赖德伯格表示，团队有信心利用同样的方法，不仅揭示 LHS 3844 b 的地壳性质，也为未来更多岩石系外行星提供“表面级”信息。 本次使用的 JWST 观测来自编号为 1846 的一般观测项目，题为“在炽热岩石系外行星 LHS 3844 b 上寻找火山和地球动力学迹象”，由她担任首席科学家、任如担任联合首席。 参与此次研究的机构遍布美国、德国、中国等多国，包括哈佛-史密森天体物理中心、加州理工学院、喷气推进实验室、北京大学、宾夕法尼亚州立大学、NASA 戈达德太空飞行中心以及多所欧洲高校和研究机构。

负责本次观测的 MIRI 仪器由欧洲多国组成的联合团队研制，成员包括比利时、丹麦、法国、德国、爱尔兰、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士和英国等国，相关工作在各国国家科研机构资助下开展。 在德国，主要资助方为马克斯·普朗克学会和德国航空航天中心，参与单位包括海德堡的马克斯·普朗克天文学研究所、科隆大学以及亨索尔德公司等。 作为当今最重要的空间天文设施之一，詹姆斯·韦布空间望远镜由 NASA 牵头，欧洲航天局和加拿大航天局共同参与，致力于在宇宙早期星系形成、恒星和行星诞生、以及系外行星大气与表面性质等领域开辟新视窗。 在此之前，斯皮策空间望远镜已通过红外观测为系外行星研究奠定基础，其相关项目由加州理工学院喷气推进实验室受 NASA 委托运营。