NASA观测到一颗岩质系外行星的表面


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这幅艺术家笔下的插图描绘的是系外行星LHS3844b,其质量是地球的1.3倍,环绕着一颗M矮星运行。根据美国国家航空航天局(NASA)斯皮策太空望远镜的观测表明,该行星表面可能主要被黑暗的熔岩覆盖,没有明显的大气层。
版权:NASA /加州理工学院喷气推进实验室(JPL-Caltech)/R. Hurt(红外数据处理与分析中心,IPAC)

一项利用NASA斯皮策太空望远镜的数据进行的新研究提供了一个难得的机会,使我们得以一窥围绕太阳之外的恒星运行的岩质行星表面的情况。8月19日发表在《自然》(Nature)杂志上的这项研究表明,该行星的表面可能类似于地球的卫星月球或者水星:该行星可能几乎没有大气层,可能被在月球表面黑暗区域(mare)发现的同样的冷却火山物质所覆盖。

LHS 3844b行星于2018年由NASA凌日系外行星勘测卫星(TESS)任务发现,距离地球48.6光年,半径是地球的1.3倍。该行星围绕着一颗被称为M矮星的小而冷的恒星运行 - 特别值得注意的是,作为银河系中最常见且寿命最长的恒星类型,M矮星可能占据了银河系中恒星总数的很大比例。

TESS是借助凌日法(transitmethod)发现这颗行星的。凌日法通过测量当行星穿越于地球和恒星之间时母恒星光线变暗来探测行星。另一种方法,直接探测来自行星表面的光线是困难的,因为恒星要亮得多,会压过行星发出的光线。

但在后续观测中,斯皮策太空望远镜能够探测到来自LHS 3844b表面的光线。这颗行星仅用11个小时就绕其母恒星进行了一次完整的公转。由于运行轨道如此紧密,LHS 3844b极有可能被“潮汐锁定”(tidally locked),即行星的一侧永久性地面对着其母恒星。朝向恒星的一面,或称作日面(dayside),温度大约是1410华氏度(770摄氏度)。由于非常热,这颗行星发射出大量红外光,而斯皮策太空望远镜正是一架红外望远镜。这颗行星的母恒星相对较冷(尽管依然比这颗行星热得多),使得直接观测LHS 3844b的日面成为可能。

这一观测标志着斯皮策太空望远镜的数据首次能够提供M矮星周围类地行星的大气层相关信息。

寻找生命

通过测量这颗行星冷热两面之间的温差,研究小组发现,这两面之间传递的热量可以忽略不计。如果有大气层存在,日面的热空气会自然膨胀,随之产生的风会将热量传递到行星上的其他地方。在这个类似月球的几乎没有大气层的岩质行星上,没有空气来传递热量。

马萨诸塞州剑桥市的哈佛-史密森天体物理学中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的研究员,同时也是这项新研究的第一作者劳拉•克里德伯格(Laura Kreidberg)表示:“这颗行星上的温度差异能有多大就有多大,这与我们无大气的裸岩模型完美匹配。”

了解可能保存或破坏行星大气层的因素,是科学家们如何打算寻找太阳系外宜居环境的一部分。地球的大气层是液态水能够存在于地表的原因,这使生命得以繁衍生息。另一方面,火星的大气压现在不到地球的1%,曾经点缀在火星表面的海洋和河流已经消失。

Kreidberg表示:“我们有很多关于M矮星周围行星大气层如何演化的理论,但我们还不能以经验为依据研究它们。现在,有了LHS 3844b,我们在太阳系外有了一颗类地行星,我们第一次能够通过观测确定在那里没有大气层存在。”

与类太阳恒星相比,M矮星发射出高能量的紫外线(尽管总体而言光线较弱),这对生命是有害的,并能侵蚀行星的大气层。M矮星在年轻时特别狂暴,会喷出大量耀斑,或爆发辐射和粒子,这可能会将正在萌芽的行星大气层剥离。

斯皮策的观测排除了大气压超过地球10倍的可能性(以巴为单位测量,地球海平面上所受的大气压力约为1巴)。LHS 3844b上1至10巴大气压之间的大气也几乎被完全排除了,尽管作者指出,如果恒星和行星的特性能够符合一些非常具体且不太可能达到的标准,则有很小的可能性表明这种大气层是存在的。他们还认为,由于行星离恒星如此之近,稀薄的大气层将被恒星的强烈辐射和发出的物质流(通常称为恒星风)剥离。

Kreidberg表示:“我仍然希望M矮星周围的其他行星能够保持它们的大气层。太阳系的类地行星非常多样化,我预计系外行星系统也会如此。”

一块光秃秃的岩石

斯皮策太空望远镜和NASA的哈勃太空望远镜此前已经收集了多颗气态行星的大气层信息,但LHS 3844b似乎是科学家们通过行星表面发出的光来了解其大气层的最小的一颗行星。斯皮策此前使用凌日法研究了TRAPPIST-1恒星(也是一颗M矮星)周围的七个岩质行星,并了解了它们可能的总体构成:例如,其中一些可能含有水冰。

这项新研究的作者更进一步地利用LHS 3844b的表面反照率(或反射率)试图推断其构成。

在该研究的共同作者胡伦宇(Renyu Hu)看来,《自然》杂志的这项研究表明LHS 3844b“相当暗”。胡伦宇是NASA位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室的系外行星科学家,负责管理斯皮策太空望远镜。他和他的共同作者认为该行星上覆盖着玄武岩,即一种火山岩。胡伦宇表示:“我们知道月球表面阴暗区域是由古火山活动形成的,我们假定这可能也就是这该行星上所发生的事情。”

喷气推进实验室为位于华盛顿的NASA科学任务理事会管理斯皮策太空望远镜任务。科学运作在加利福尼亚州帕萨迪纳的加州理工学院的斯皮策科学中心进行。航天业务总部设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德•马丁航天系统公司。数据存档在加州理工学院IPAC的红外线科学档案馆。加州理工学院为NASA管理喷气推进实验室。

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欲了解有关斯皮策的更多信息,请访问:
https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-gets-a-rare-look-at-a-rocky-exoplanets-surface

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