作者：謝基偉（南京大學(xué)）
監制：中國科普博覽
編者按：為拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領(lǐng)域突破極限的探索成果。讓我們一起走進(jìn)科學(xué)發(fā)現之旅，認識令人驚嘆的世界。
?
近日，天文學(xué)家使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），首次探測到太陽(yáng)系外一顆巖石行星富含二氧化碳或一氧化碳的大氣層。盡管該行星可能被巖漿海洋覆蓋，無(wú)法維持生命，但對其研究可增進(jìn)對地球早期歷史的了解。相關(guān)論文2024年5月8日發(fā)表于《自然》。
詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST），是美、歐、加聯(lián)合研發(fā)的主要通過(guò)紅外光觀(guān)測的空間望遠鏡，歷時(shí)20多年，耗資超過(guò)100億美元。它是迄今為止最昂貴、建造的功能最強、最大的空間望遠鏡。該望遠鏡于2021年發(fā)射，旨在提供更高的紅外分辨率和靈敏度，以觀(guān)測更遠的宇宙深處。
55Cancri e 離恒星很近的藝術(shù)圖
圖片來(lái)源：Mark Garlick/Science Photo Library
不過(guò)，55 Cancri e 不是JWST發(fā)現的，它是20年前（2004年）在55 Cancri這顆恒星（2015年被國際天文聯(lián)合會(huì )命名為哥白尼）周?chē)l(fā)現的第四顆行星，目前這顆恒星周?chē)呀?jīng)發(fā)現了5顆行星（分別是，b, c, d, e, f）。這些行星都是通過(guò)視向速度方法（即通過(guò)探測恒星與行星相互繞轉產(chǎn)生的視向速度變化）發(fā)現的。
后來(lái)2011年發(fā)現55 Cancri e的凌星現象，進(jìn)一步證實(shí)了這顆行星的存在。55 Cancri e圍繞著(zhù)一顆類(lèi)似太陽(yáng)的恒星運行，是一個(gè)超級地球，半徑約為地球的兩倍，重量是地球的8倍多，大氣層厚度約為地球半徑的百分之幾。
?
人類(lèi)首次探測出太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的大氣成分
JWST的貢獻其實(shí)是發(fā)現這顆行星表面含有富含碳和氧元素的大氣層，意味著(zhù)一個(gè)新的里程碑，這是人類(lèi)首次探測出一顆太陽(yáng)系外類(lèi)地行星的大氣成分，而且確定其為“次生大氣”。
圖片來(lái)源：veer圖庫
所謂“次生大氣”是相對于原始大氣來(lái)說(shuō)的。行星的原始大氣是指行星形成初期通過(guò)引力在周?chē)降拇髿猓饕菤錃夂秃猓ㄒ驗檫@兩種是宇宙中含量最多的）。但是氫氣和氦氣很輕，對于一般的巖石類(lèi)地行星比如地球來(lái)說(shuō)，它們的引力小，不足以完全束縛住這些輕氣體，所以這些原始的輕氣體會(huì )逐漸逃逸回宇宙空間中。
而次生大氣就是之后從行星內部釋放出來(lái)的氣體，比如通過(guò)火山爆發(fā)。這些氣體主要含“重”一些的元素，比如碳、氧等。重氣體不容易逃逸而逐漸累積、保存在行星表面。我們地球上的大氣就是從次生大氣逐漸演化過(guò)來(lái)的。
?
這顆“超級地球”會(huì )是人類(lèi)的下一個(gè)家園嗎？
目前的觀(guān)測技術(shù)還不能對這么小的行星直接成像看到它的外貌。不過(guò)，天文學(xué)家可以通過(guò)行星的性質(zhì)來(lái)推測想象它的樣子。
55 Cancri e可以簡(jiǎn)單理解為放大版的地球，它與地球有相似之處，比如平均密度差不太多，都屬于巖石類(lèi)行星，但是它的公轉周期只有0.74天，距離它的主星只有日地距離的六十分之一，因此這顆星被它的主星“烤”的非常熱，對著(zhù)恒星的一面溫度超過(guò)3000度，表面都是熔融的巖漿，應該不能像地球一樣孕育這么多生命。
圖片來(lái)源：veer圖庫
未來(lái)隨著(zhù)探測技術(shù)不斷發(fā)展，人類(lèi)將能探測到更多類(lèi)地行星的大氣。通過(guò)研究它們的大氣成分并與我們太陽(yáng)系的行星對比，這樣將幫助我們更好地理解行星以及其大氣的形成和演化。
我們不能回到地球的早期去了解它的歷史，但是如果可以探測到很多不同年齡階段的類(lèi)地行星大氣，那么我們就可以將它們作為鏡子，從中看到地球的過(guò)去甚至未來(lái)的樣子。
?