NASA的韦伯望远镜暗示岩质系外行星可能拥有大气层
研究人员使用NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜可能已经探测到巨蟹座55e周围的大气气体，这是一颗距离地球41光年的炽热岩质系外行星。这是迄今为止太阳系外岩质行星存在大气层的最佳证据。
来自加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室（JPL）的胡仁宇（音译，Renyu Hu）是今天发表在《自然》杂志上的一篇论文的主要作者。胡说：“韦伯正在推动系外行星特性研究的前沿，扩展到岩质行星。”他补充说：“这确实使一种新型科学成为可能。”
炽热超级地球巨蟹座55e
巨蟹座55e（下图，详细信息/下载），也被称为杨森（Janssen），是位于巨蟹座中绕类太阳恒星巨蟹座55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，密度略大，被分类为超级地球：比地球大，比海王星小，其组成可能与我们太阳系中的岩质行星相似。
然而，将巨蟹座55e描述为“岩质”的可能会给人一个错误的印象。这颗行星与其恒星的距离非常近（约140万英里，或水星到太阳距离的1 / 25），其表面可能是熔融的——一片沸腾的岩浆海洋。在如此紧密的轨道下，这颗行星也很可能被潮汐锁定，其昼面始终面对恒星，而夜面则永远处于黑暗中。
尽管自2011年发现其凌日以来已进行了多次观测，但关于巨蟹座55e是否具有大气层——甚至在其高温和恒星辐射及风的持续冲击下能否拥有大气层的问题——仍然没有答案。
“我研究这颗行星已经超过十年了。”新墨西哥大学的系外行星研究员、该研究的合著者戴安娜·德拉戈米尔（Diana Dragomir）说。“以前我们获取的观测数据都没有能够有力地解开这些谜题，这真的很令人沮丧。我很高兴我们终于得到了一些答案！”
气态巨行星的大气层相对容易被发现(第一个是由美国宇航局的哈勃太空望远镜在20多年前探测到的)，而岩石行星周围更薄、密度更大的大气层仍然难以捉摸。
与气态巨行星的大气层不同，后者相对容易被发现（NASA的哈勃太空望远镜在二十多年前就探测到了第一个），围绕岩质行星的较薄且较密的大气层一直难以捉摸。
先前使用NASA现已退役的斯皮策空间望远镜的数据对巨蟹座55e进行的研究表明，该行星存在大量挥发物质（在地球上以气态形式存在的分子）如氧、氮和二氧化碳的大气层。。但研究人员无法排除另一种可能性：该行星除了一层富含硅、铁、铝和钙等元素的薄薄的气化岩石外，几乎是赤裸的。胡解释说：“这颗行星非常热，一些熔岩应该会气化。”
图片：超级地球系外行星巨蟹座55e（艺术概念图）
这幅艺术家的概念图展示了根据NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜和其他天文台的观测结果，系外行星巨蟹座55e可能的外观。韦伯的NIRCam和MIRI的观测表明，这颗行星可能被富含二氧化碳（CO2）或一氧化碳（CO）的大气所包围。研究人员认为，构成大气层的气体可能是从覆盖行星表面的岩浆海洋中冒出来的。
影像来源：NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
测量红外颜色的细微变化
为了区分这两种可能性，该团队使用韦伯的NIRCam（近红外相机）和MIRI（中红外仪器）测量来自该行星的4至12微米的红外光。
虽然韦伯无法拍摄巨蟹座55e的直接图像，但它可以测量随着行星绕恒星运行而产生的光线中的细微变化。
通过减去二次日食期间行星位于恒星后面时的亮度（如下图，详细信息/下载），从行星位于恒星旁边时的亮度（恒星和行星发出的光总和）中减去行星位于恒星后面（仅恒星光）时的亮度，研究团队能够计算出来自行星昼侧的各种波长的红外光的数量。
这种方法，被称为二次日食光谱学，与其他研究团队用来寻找其他岩质系外行星（如TRAPPIST-1 b）大气的方法相似。
图像:超级地球系外行星巨蟹座55e（MIRI二次日食光曲线）
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的MIRI（中红外仪器）于2023年3月拍摄到的波长为7.5至11.8微米的光曲线显示，随着岩石行星巨蟹座55e移动到恒星后面，巨蟹座55系统的亮度下降，这种现象被称为二次日食。这颗行星发出的中红外光量（恒星和行星加起来的亮度与恒星本身的亮度之差）表明这颗行星的白昼温度约为2,800华氏度。与没有大气层的类似行星相比，这一温度较低，表明热量正在从昼面向夜面传递，这可能是由富含挥发物的大气层造成的。
插图来源: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI); 科学解释: Aaron Bello-Arufe (JPL)
比预期更冷
第一个表明巨蟹座55e可能有实质性大气层的迹象是基于它的热辐射(下图，详细信息/下载)的温度测量，或者以红外光形式释放的热能。如果这颗行星被黑暗的熔岩覆盖，上面覆盖着一层薄薄的气化岩石，或者根本没有大气层，那么白天的温度应该在华氏4,000度（约2200摄氏度）左右。
“然而，MIRI数据显示出相对较低的温度，约为2800华氏度[约1540摄氏度]。”胡说。“这是一个非常强烈的迹象，表明能量正在从昼面向夜面传递，最有可能是通过富含挥发物的大气。”虽然熔岩流可以将一些热量传递到夜面，但它们不能有效地移动足够的热量来解释这种冷却效应。
当研究团队查看NIRCam数据时，他们看到了与富含挥发物大气相一致的模式。“我们看到光谱在波长4到5微米之间下降的证据——更少的光到达望远镜。”NASA JPL的合著者亚伦·贝洛-阿鲁夫（Aaron Bello-Arufe）解释说。“这表明存在一个包含一氧化碳或二氧化碳的大气，这些大气吸收这些波长的光。”一个没有大气或只由气化岩石构成的大气的行星不会有这种特殊的光谱特征。
“我们在过去十年里模拟了不同的场景，试图想象这个世界可能是什么样子。”来自莱顿天文台和荷兰太空研究所（SRON）的合著者亚米拉·米盖尔（Yamila Miguel）说。“我们的工作终于得到了一些肯定，这是无价的！”
图片：超级地球系外行星巨蟹座55e（NIRCam + MIRI发射光谱）
NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的NIRCam（近红外相机）GRISM光谱仪（F444W）和MIRI（中红外仪器）低分辨率光谱仪拍摄到的超级地球系外行星55 Cancri e的热发射光谱显示，该行星可能被富含二氧化碳或一氧化碳和其他挥发物的大气层包围，而不仅仅是汽化的岩石。
插图来源: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI) 科学解释: Renyu Hu (JPL), Aaron Bello-Arufe (JPL), Michael Zhang (University of Chicago), Mantas Zilinskas (SRON Netherlands Institute for Space Research)
冒泡的岩浆海
研究团队认为，覆盖巨蟹座55e的气体是从内部冒出，而不是自行星形成以来就一直存在。“由于恒星的高温和强烈辐射，原始大气早已消失。”贝洛-阿鲁夫说。“这将是一个不断被岩浆海补充的次生大气。岩浆不仅仅是晶体和液态岩石；其中也含有大量的溶解气体。”
虽然巨蟹座55e的温度过高，不适合居住，但研究人员认为它可能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，并可能提供有关地球、金星和火星早期状况的见解，这些行星在遥远的过去被认为覆盖着岩浆海。“最终，我们想要了解什么条件使得一个岩质行星能够维持一个富含气体的大气：这是宜居行星的关键因素。”胡说。
这项研究是作为韦伯的综合观测（GO）计划1952的一部分。对巨蟹座55e的额外二次日食观测的分析目前正在进行中。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源，以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的一个国际项目。
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