根据5月8日发表在《自然》杂志上的一篇论文，天文学家表示，他们利用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）首次在太阳系外的一颗岩石行星周围探测到大气层。尽管这颗行星无法以我们所知的方式支持生命，部分原因可能是其表面被岩浆海洋覆盖，但科学家仍能从中了解到有关地球早期历史的信息——地球同样是一颗曾经熔融状态的岩石行星。

麻省理工学院的行星科学家Sara Seager并未参与这项研究，她表示，在类地行星周围发现气体包层是系外行星研究的一大里程碑。地球的稀薄大气层对维持生命至关重要，而在类似的陆地行星上探测到大气层是寻找太阳系外生命的重要进展。

JWST所研究的这颗行星名为巨蟹座-55，它围绕一颗距离12.6秒差距、与太阳相似的恒星运行，被归类为超级地球，即比地球稍大一些的岩石行星——其半径约为地球的两倍，质量超过地球八倍。该行星的大气层很可能富含二氧化碳或一氧化碳，并且其厚度达到了行星半径的“几个百分点”。

一个神秘的星球

巨蟹座-55号不适于居住的另一个原因是它离其恒星非常近，大约是地球到太阳距离的六十五分之一。然而，“它或许是被研究得最透彻的岩石行星，”加州帕萨迪纳市喷气推进实验室（JPL）的天体物理学家、该论文的合著者Aaron Bello-Arufe说道。它的宿主恒星在我们的夜空中很明亮，而且就岩石行星而言它相当大，因此比太阳系外的其他行星更容易研究。“你能想到的任何天文望远镜或仪器都曾在某个时刻对准过这颗行星，”Bello-Arufe说。

巨蟹座-55号被研究得如此透彻，以至于在2021年12月詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发射后，工程师们将望远镜的红外光谱仪指向它进行测试。这些仪器能够探测到当行星吸收星光的红外波长时，环绕行星旋转的气体的化学特征。Bello-Arufe和他的同事们随后决定深入研究，以确认该行星是否拥有大气层。

在最近的观测之前，天文学家对巨蟹座-55的看法已经改变了许多次。这颗行星于2004年被发现。起初，研究人员认为它可能是类似于木星的气体巨星的核心。但在2011年，斯必泽空间望远镜在该行星从其恒星前面经过时进行了观测，研究人员发现巨蟹座-55号实际上比气体巨星小得多且密度大，使它成为了一颗岩石型超级地球。

巨蟹座比地球稍大一点，但比海王星等太阳系的巨行星小得多。来源:NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

几年后，研究人员注意到 巨蟹座-55号 的温度比预期的要低，鉴于它与母恒星如此接近，这表明它可能拥有大气层4。一种假设是这颗行星是一个被超临界水分子包裹的“水世界”；另一种假设则是它被主要由氢和氦构成的广阔原始大气层所包围5。但这些观点最终被推翻了。

JPL的行星科学家、最新研究的合作者Renyu Hu表示，距离母恒星如此之近的行星会遭受恒星风的轰击，难以在其大气中留住挥发性分子。他说，剩下两种可能性：一是该行星完全干燥，拥有一层极薄的岩石蒸发而成的大气；二是拥有由较重且不易逃逸的挥发性分子构成的厚重大气。

更清晰的图景最新数据显示，巨蟹座-55的大气中包含碳基气体，指向第二种可能性。Seager表示，团队收集了确凿的大气存在证据，但需要更多观测来确定其完整成分、气体的相对量以及精确厚度。

来自加州斯坦福大学的行星地质学家Laura Schaefer对了解巨蟹座-55号的大气如何与行星表面下的物质相互作用感兴趣。研究作者称，大气层仍有可能被恒星风吹蚀，但气体也可能通过岩浆海洋中的岩石融化和排气过程得到补充。

Schaefer说：“地球可能至少经历过一个岩浆洋阶段，也许有几个。拥有现今岩浆洋的真实例子能帮助我们理解太阳系的早期历史。”

参考文献：

Hu, R., Bello-Arufe, A., Zhang, M. et al. A secondary atmosphere on the rocky Exoplanet 55 Cancri e. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07432-x

1. Hu, R. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-024-07432-x (2024).

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   附：韦伯太空望远镜

詹姆斯·韦伯太空望远镜在中红外光下捕捉到了创造之柱的新视角。这个恒星形成区域的尘埃，而不是恒星本身，是亮点，就像幽灵一样（NASA/ESA/CSA/STSc）

韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，简称JWST）是以美国著名天文学家詹姆斯·韦伯的名字命名的，他曾经是美国国家航空航天局（NASA）的第二任局长，并对推动哈勃太空望远镜等重要项目起到了关键作用。JWST是历史上建造的最复杂、最昂贵也是技术最先进的太空望远镜之一，其研发历经超过二十年，总成本接近100亿美元，由美国国家航空航天局（NASA）、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作完成。

该望远镜于2021年12月25日由欧洲的阿里安5号火箭从法属圭亚那发射升空，并在2022年1月29日成功完成了所有的部署和校准工作，进入科学观测准备阶段。JWST的主要任务是在红外波段进行观测，这使得它能够穿透星际尘埃，观测到那些在可见光下不可见的遥远、暗淡和低温天体，比如宇宙早期形成的首批恒星和星系、行星系统的形成、以及研究系外行星大气以寻找生命迹象等。

JWST的主镜直径达到6.5米，由18片六边形可独立调整的金属反射镜组成，比哈勃太空望远镜的主镜大很多，能收集更多的光线，提供更高的分辨率和更深远的观测能力。其工作波段覆盖从0.6微米到28微米，特别擅长于中红外和近红外波段的观测。望远镜配备了四个科学仪器：近红外相机（NIRCam）、近红外光谱仪（NIRSpec）、中红外仪器（MIRI）和精细制导传感器/近红外成像仪（FGS/NIRISS）。

为了保持低温以优化红外观测，JWST携带有一个庞大的遮阳板，由五层超薄材料制成，总面积达到约140平方米，能够将望远镜的温度降至接近绝对零度。JWST位于日地系统第二拉格朗日点（L2点）附近，距离地球约150万公里的位置，这一位置能有效避免地球、月球和太阳的光热干扰，同时使望远镜保持稳定的观测环境。不过，这也意味着JWST无法获得地面支持进行维护，一旦出现故障将难以修复。