NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的镜段排列整齐,科学仪器正在校准,距离全面运行只有几周的时间。今年夏天首次观测结果公布后不久,韦伯的深入科学研究将开始。

计划在第一年进行的调查包括对两颗因其大小和岩石成分而被归类为“超级地球”的热系外行星的研究:熔岩覆盖的55Cancri e和无空气的LHS 3844 b。研究人员将在这些行星上训练韦伯的高精度光谱仪,以了解银河系行星的地质多样性,还有像地球这样的岩石行星的演化。

超级热的超级地球55 Cancri e

55 Cancri e的轨道距离其类太阳恒星不到 150 万英里(水星与太阳距离的二十五分之一),在不到18小时的时间内公转一圈。由于地表温度远高于典型岩石形成矿物的熔点,该行星的昼面被认为覆盖着熔岩海洋。

假设围绕恒星运行的行星被潮汐锁定,一侧始终面向恒星。因此,行星上最热的地方应该是最直接面对恒星的地方,来自白天的热量不应该随着时间的推移而发生太大变化。

但这似乎并非如此。NASA斯皮策太空望远镜对55 Cancri e的观测表明,这颗行星最热的区域偏离了最直接面向恒星的部分,而从白天探测到的总热量确实有所不同。

55 Cancri e有厚厚的大气层吗?

对这些观测结果的一种解释是,这颗行星有一个动态的大气,可以将热量四处移动。“55 Cancri e可能有一个以氧或氮为主的厚大气层。”NASA位于南加州的喷气推进实验室的胡仁宇(Renyu Hu)解释说,他领导的团队将使用韦伯的近红外相机(NIRCam)和中红外仪器(MIRI)捕捉行星白天的热发射光谱。胡补充道:“如果它有大气层,韦伯有足够的灵敏度和波长范围来探测它,并确定它是由什么组成。”

还是55 Cancri e晚上在下熔岩雨?

然而,另一个有趣的可能性是55 Cancri e没有潮汐锁定。相反,它可能像水星一样,每公转两次自转三次(称为3:2共振)。因此,这颗行星会有昼夜循环。

“这可以解释为什么行星最热的部分发生了变化。”斯德哥尔摩大学的研究人员亚历克西斯·布兰德克解释说。“就像在地球上一样,地表需要时间加热。一天中最热的时间是下午,而不是中午。”

布兰德克的团队计划使用NIRCam来测试这一假设,以测量55 Cancri e在四个不同轨道上从被照亮的一侧发出的热量。如果这颗行星有3:2的共振,他们将对每个半球进行两次观测,这应该能够检测到两半球之间的任何差异。

在这种情况下,行星表面会在白天升温、融化,甚至蒸发,形成韦伯可以探测到的稀薄的的大气。到了晚上,蒸汽会冷却并凝结,形成熔岩液滴,这些熔岩会像雨点一样落回行星地表,随着夜幕降临,再次变成固体。

岩石系外行星LHS 3844 b和55 Cancri e与地球和海王星的对比图。55 Cancri e和LHS 3844 b在大小和质量上都介于地球和海王星之间,但在组成上它们与地球更为相似。行星按半径递增的顺序从左到右排列。
影像来源:ILLUSTRATION: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

更冷的超级地球LHS 3844 b

虽然55 Cancri e将提供一个被熔岩覆盖的世界的奇特地质的信息,但LHS 3844 b为分析系外行星表面的固体岩石提供了一个独特的机会。

和55 Cancri e一样,LHS 3844 b的轨道离它的恒星非常近,在11小时内完成一圈公转。然而,由于其恒星相对较小且较冷,该行星的温度不足以使其表面熔化。此外,斯皮策望远镜的观测表明,这颗行星不太可能有大量的大气层。

LHS 3844 b的表面是由什么组成?

虽然我们无法直接用韦伯对LHS 3844 b的表面进行成像,但由于没有遮蔽的大气,因此我们可以用光谱学研究行星表面。

“事实证明,不同类型的岩石具有不同的光谱。”马克斯·普朗克天文研究所的劳拉·克雷德伯格解释说。“你可以用眼睛看到花岗岩的颜色比玄武岩浅。岩石发出的红外光也有类似的差别。”

克雷德伯格的团队将使用MIRI捕捉LHS 3844 b白天一侧的热发射光谱,然后将其与已知岩石(如玄武岩和花岗岩)的光谱进行比较,以确定其成分。如果这颗行星有火山活动,光谱还可能显示出微量火山气体的存在。

这两颗系外行星观测的重要性远远超出了银河系5000多颗已确认系外行星。克雷德伯格说:“它们将为我们提供有关类地行星的全新视角,帮助我们了解早期地球在像今天这些行星一样炎热时可能是什么样子。”。

这些对55个Cancri e和LHS 3844 b的观测将作为Webb第1周期普通观察者计划的一部分进行。普通观察者计划由使用双重匿名审查系统进行竞争性选择,该系统与哈勃望远镜上的时间分配系统相同。

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。韦伯将解开我们太阳系中的谜团,展望其他恒星周围的遥远世界,探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在宇宙中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴ESA和加拿大航天局领导的一个国际项目。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/geology-from-50-light-years-webb-gets-ready-to-study-rocky-worlds

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