科学家首次探测到岩石系外行星大气层中氦气流失现象

宇宙中大部分气体由氢和氦混合而成。科学家普遍认为，大多数行星的原始大气层最初也以这两种元素为主。然而，经过数十亿年的演化，行星大气的成分可能发生显著变化。氢可以与其他化学物质发生反应，氢和氦也可能逸散至太空中。金星、地球和火星被认为都已拥有"第二代大气层"，其原始的氢氦大气早已消散殆尽或发生了根本性转变。

大气损失的动态过程十分复杂。较轻的元素更容易流失，但氢可以通过融入甲烷、氨等分子而得到保护。天体自身的引力有助于留住部分分子，磁场则可以削弱辐射将物质从大气中剥离的能力。与恒星的距离同样至关重要——恒星产生的辐射会加热大气层，使其膨胀扩散到引力影响减弱的高度。

面对如此复杂的因素，预判系外行星大气层的构成并非易事。但本周三发表在《自然》杂志上的一项研究，描述了对距地球约50光年的恒星LHS 1140周围一颗系外行星大气层氦气流失的观测结果。根据氦气流失速率，科学家得以进一步推断该行星现有大气层的组成。

LHS 1140是一颗红矮星，目前已知有两颗行星围绕其运行。其中，LHS 1140c距离宿主星较近，公转周期略不足四天，接收到的辐射量约为地球接收太阳辐射量的五倍。另一颗行星LHS 1140b则距离宿主星远得多，公转周期接近25天，其轨道位置甚至比水星距太阳还近。但由于LHS 1140a亮度极低，LHS 1140b所接收到的恒星光照不足地球接收太阳光照的一半。

如果这些光照全部转化为热量，行星表面的温度将足以维持液态水的存在。

科学家通过LHS 1140b对宿主星的引力影响以及凌星观测对其进行了研究。数据显示，该行星质量约为地球的5.5倍，半径为地球的1.7倍，与类地构成基本吻合——含有大量岩质物质以及相当数量的水或大气层（具体比例取决于铁的含量）。

目前尚不确定LHS 1140b是否存在大气层，更无从得知其成分。已知该星系年龄至少有30亿年，大气层有充足时间演化。红矮星还频繁爆发，释放大量高能辐射，而这颗行星已经历了漫长岁月的辐射轰击。

正是在这一背景下，一支由美国研究人员组成的团队，在LHS 1140b绕宿主星运行期间展开了对氦气的探测。

对系外行星大气层成像极具挑战性，因为穿过大气层的恒星光量相较于直接抵达地球的光量极为微弱。观测红矮星相对有利，因为其整体光量较少，行星相对于这类小型恒星的体积比例也更大。因此，这颗拥有两颗已知行星的红矮星成为了理想的观测目标。研究人员使用安装在智利阿塔卡马沙漠拉斯坎帕纳斯天文台望远镜上的近红外成像设备进行观测。

观测图像涵盖了LHS 1140b和LHS 1140c凌星前、凌星中及凌星后各阶段，以及两颗行星位于轨道其他位置时的状态。在LHS 1140c凌星期间未检测到氦气信号，但在LHS 1140b凌星前后均出现了氦气信号，且信号范围明显超出行星半径。研究人员认为，这说明LHS 1140b同时存在向前延伸的"前导尾"和向后延伸的"拖尾"氦气流。

（尽管行星轨道后方的拖尾现象在直觉上容易理解，但在其他星系中也曾观测到磁场相互作用和恒星风驱动形成前导尾的情况。）

研究人员将这两条氦气尾的存在解读为恒星高能辐射正在驱动大气氦气持续逃逸的迹象。他们利用XMM-Newton X射线成像卫星对该恒星的观测数据对此进行了验证。估算结果显示，目前氦气的逃逸速率约为每秒10万千克，与将一个初始质量占行星总质量1.5%的原始大气层耗尽所需的速率相近。由于红矮星在早期活动更为剧烈，过去某些时期的大气流失速率很可能还要更高。

值得注意的是，研究人员在一年后重复观测时未能探测到氦气信号（这并不意味着氦气不存在，只是低于探测极限）。这说明大气流失过程存在较大波动性，或许正因如此，氦气流失现象至今仍能被观测到。

氦气流失的事实本身实际上揭示了大气成分的重要信息。如果大气中仍含有大量氢，氢将吸收大量辐射，起到保护氦气的屏障作用。LHS 1140b大量流失氦气的现象表明，其大气中几乎已不含氢或含量极少。

与此同时，氦气的流失速率为评估大气中其他原子所能获得的逃逸能量提供了参考。研究人员认为，原子质量超过9的元素将无法逃逸出大气层。这意味着连氧和氮的原子态形式都能被留住，而包括氨、甲烷和水在内的各类分子同样会留存于大气中。

综合来看，研究人员描绘出这样一幅图景：这是一颗体积较大的岩质行星，上层大气富含氦气，未参与反应的氢早已散逸殆尽，而其下方可能存在更厚实的大气层，但其具体成分目前仍是未知。

研究人员在论文结尾提及了"宇宙海岸线"这一概念——这是恒星辐射将大气层彻底蒸发、留下无大气岩石星球的边界，与辐射较低且条件有利、能使大气层稳定存在数十亿年的区域之间的分界线。如今我们已知，这一星系中的宇宙海岸线，正好划定在LHS 1140c与LHS 1140b之间。

Q&A

Q1：LHS 1140b是什么类型的行星？它可能有大气层吗？

A：LHS 1140b是一颗质量约为地球5.5倍、半径为地球1.7倍的岩质系外行星，距地球约50光年。其构成与类地行星相似，含有大量岩质物质和一定量的水或大气。研究表明，该行星上层大气富含氦气，氢气已基本散逸，下方可能存在更厚的大气层，但具体成分尚不明确。若其接收的星光全部转化为热量，表面温度将足以维持液态水存在。

Q2：科学家是如何探测到LHS 1140b大气层中氦气流失的？

A：研究团队使用安装在智利拉斯坎帕纳斯天文台望远镜上的近红外成像设备，在LHS 1140b凌星前后捕捉到了氦气信号。信号范围超出行星半径，显示出前导尾和拖尾结构，说明氦气正被恒星高能辐射驱动逃逸。同时，研究人员借助XMM-Newton X射线卫星的观测数据加以验证，估算氦气逃逸速率约为每秒10万千克。

Q3：氦气流失能说明LHS 1140b大气层中还有哪些成分？

A：氦气大量流失表明大气中几乎不含氢，因为氢若存在会吸收辐射并保护氦气。根据氦气逃逸速率推算，原子质量超过9的元素（包括氧、氮）无法逃逸，仍会留存于大气中，甲烷、氨、水等分子也能保留。这意味着LHS 1140b上层大气以氦气为主，而下层可能存在含有较重元素或分子的较厚大气层。

Ars Technica宇宙海岸线系外行星LHS 1140