首次在宜居带类地行星上发现大气层

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 视频天象|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 太空探索

翻译：王婧彧

校对：申振宇 刘海牧

美编：张荣娜

后台：李子琦

https://www.space.com/astronomy/exoplanets/astronomers-discover-1st-atmosphere-around-a-rocky-earth-like-planet-in-the-habitable-zone

一张艺术家概念图，展示了位于前景的系外行星LHS 1140b，它被含有氦气的大气层所包围。背景是它的红矮星，还有另一颗行星在其轨道上运行。

图源：哈佛-史密松森天体物理中心

这可能是我们目前在寻找可能支持生命的行星方面取得的最接近的成果：天文学家首次在一颗围绕其恒星宜居带运行的类地岩石行星周围探测到了大气层，这是一个具有里程碑意义的首创。

这颗名为LHS 1140 b的岩石行星距离地球48光年，根据这项新研究，它拥有一个包含氦气的大气层。这也是第一颗被直接探测到拥有大气层的岩石行星。这是被发现的第一颗带有大气层且同时位于宜居带的岩石行星，这意味着它与恒星的距离恰到好处，行星上可能存在液态水。随着我们继续在宇宙中寻找可以被认为是“宜居”的行星，这颗行星满足的条件比我们以往见过的几乎所有天体都要多。

最近刚在哈佛大学获得博士学位的论文第一作者科林·切鲁宾（Collin Cherubim）告诉Space.com：“我们实际上直接探测到了大气层本身中存在的氦气，这是对任何岩石系外行星的首次直接探测，这真令人兴奋……此外还有一个额外的惊喜，那就是它位于宜居带，这对天体生物学、宜居性和寻找生命来说非常令人激动，这感觉有些超现实。”

这颗行星是什么样的？

让我们探索一下这颗行星以及它“居住”的系统。

这颗系外行星（即太阳系外的行星），最初是由天文学家杰森·迪特曼（Jason Dittmann）领导的团队在2017年发现的，他现在也是这项新发现的合著者。

“这颗行星大约在10年前就被发现了，而我们直到现在才说，好吧，那是大气层。”迪特曼告诉Space.com：“我们正在慢慢缩小范围并勾选这些选项……我们发现了一颗由岩石组成的行星，一颗温度适宜的行星，而现在……就像是，好吧，我们终于找到了一颗拥有大气层的行星。”

迪特曼说，作为一颗岩石行星，“肯定有一个表面……它是由岩石组成的”。这颗行星的表面看起来像什么？我们目前还无法断言，但发现该行星大气层的研究人员认为它极有可能拥有水。

虽然它围绕着一颗比太阳更小、更冷的红矮星运行，但它的轨道比我们离我们的恒星更近，从而保持着使其处于“金发姑娘区”（宜居带）的温度，在那里液态水可能存在于其表面。切鲁宾说：“它可能还有大量的水。如果它有一些可以提供一点温室效应的大气层（我们现在知道它确实有）……那么它很可能成为我们所认为的地球上的宜居条件，以及可能支持液态水的条件。”

那么它是类地行星吗？切鲁宾分享道，虽然它绝对不是地球的复制品，但这颗行星在两个主要方面可以被认为是类地的。第一：它的整体构成。这颗行星是岩石星球，很可能有一个铁核，并且（我们现在知道）它拥有大气层。第二：这颗行星的温度恰好适合液态水存在，至少就我们在地球上对生命的理解而言，这是生命所必需的。

寻找大气层

第一颗系外行星的发现是在30多年前被证实的。从那以后，科学家们已经发现了6000多颗系外行星，并且数量还在不断增加。虽然在其恒星宜居带内也发现了几颗岩石行星，但直到现在，才证实了一颗位于宜居带内的岩石行星周围存在大气层。

科学家们之所以难以找到这种拥有大气层的行星，原因之一在于它们的恒星。LHS 1140 b围绕着最常见的一类恒星——红矮星运行，其大小约为我们太阳的三分之一。这种类型的恒星保持活跃的时间比像我们太阳这样的恒星要长得多。这种活跃意味着它会释放出极端的辐射爆发，比如耀斑和日冕物质抛射。通常情况下，这些恒星周围的极端辐射会完全剥离围绕它们运行的行星的大气层，因此天文学家一直想知道围绕这些恒星运行的行星是否有可能拥有大气层。

切鲁宾说：“这项发现意义重大，因为它表明，至少这颗岩石行星在数十亿年里保留了大气层。”这是“一种真实的、有力的说法，证明大气层能够存在于岩石系外行星上”。

这颗行星的大气层中可能有除氦气之外的其他气体，且它的部分大气层也可能以前被其恒星的辐射剥离了。但是这颗行星围绕运行的红矮星大约有60亿年的历史，比它们极端辐射活动开始平静下来的年龄要早几十亿年。因此，迪特曼分享说，尽管随着时间的推移一些氦气仍在慢慢逃逸出这颗行星的大气层，但团队预计这颗行星会保留大气层。毕竟，即使是地球上的氦气也正在从我们自己的大气层中慢慢逃逸。

证明就在大气层中

为了证明这颗行星有大气层，该团队从切鲁宾在研究生院时做出的一个预测开始。这一切始于一个理论模型和一种隐约的猜想：肯定存在除地球之外拥有大气层的岩石系外行星。

切鲁宾说：“这源于一个行星演化模型的非常具体的预测，这个模型实际上是我作为一名理论学者在攻读博士期间，从第一性原理出发、从零开始亲自开发的，而且我对这颗行星做出了一个非常具体的预测。然后我做了一件相当出乎意料、有点不同寻常的事情，使用了一种通常专门用于观察巨行星的技术，而我把它用在了一颗岩石行星上，这在以前是没人做过的。”

“你瞧，我做出的这项测量结果居然与我的预测一致。能以这种方式完成整个科学方法的闭环真的很棒。”

该团队采用了切鲁宾在研究生阶段开发的理论模型，并利用位于智利的麦哲伦天文台的温红外阶梯光栅（WINERED）光谱仪对其进行了测试。通过他们的观察，他们能够看到LHS 1140 b和另一颗行星在同一个晚上都凌星，即从它们的恒星前方经过。利用这些光谱数据，他们可以在这些行星从恒星前方经过时，识别出它们大气层中的分子特征。虽然其中一颗行星没有产生任何结果，但这颗行星展现出了直接的、不可否认的氦气特征。

有外星人吗？

当观察一颗多岩石、有大气层且位于宜居带（意味着它可能有液态水）的行星时，关于生命的问题很快就会浮现出来。

但是研究人员没有足够的数据来做出这种推测。切鲁宾明确表示：“我并不是说这颗行星上存在生命。”通过进一步的调查，科学家们可以更好地了解这颗行星的大气层中可能还有什么，并且他们可以确认它是否有水。进一步的观测可能无法确认其宜居性或发现该行星上的任何生命，但至少可以帮助我们更好地了解像这样的行星。

由于这是被发现的第一颗此类行星，进一步的探索将有助于我们将所有线索拼凑起来。但这无疑是人类为了回答“我们是孤独的吗？”这个永恒问题而迈出的重要一步。

这项工作在发表于《科学》（Science）杂志上的一项研究中进行了描述。

责任编辑：杨宜修

牧夫新媒体编辑部

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

智利麦哲伦天文台

图源：网络

谢谢阅读