人類首次探測出太陽系外類地行星的大氣成分，會成為我們的新家嗎？

近日，天文學(xué)家使用詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），首次探測到太陽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(yuǎn)鏡（JWST），是美、歐、加聯(lián)合研發(fā)的主要通過紅外光觀測的空間望遠(yuǎn)鏡，歷時 20 多年，耗資超過 100 億美元。它是迄今為止最昂貴、建造的功能最強(qiáng)、最大的空間望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡于 2021 年發(fā)射，旨在提供更高的紅外分辨率和靈敏度，以觀測更遠(yuǎn)的宇宙深處。

55Cancri e 離恒星很近的藝術(shù)圖 圖片來源：Mark Garlick/Science Photo Library

不過，55 Cancri e 不是 JWST 發(fā)現(xiàn)的，它是 20 年前（2004 年）在 55 Cancri 這顆恒星（2015 年被國際天文聯(lián)合會命名為哥白尼）周圍發(fā)現(xiàn)的第四顆行星，目前這顆恒星周圍已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 5 顆行星（分別是，b, c, d, e, f）。這些行星都是通過視向速度方法（即通過探測恒星與行星相互繞轉(zhuǎn)產(chǎn)生的視向速度變化）發(fā)現(xiàn)的。

后來 2011 年發(fā)現(xiàn) 55 Cancri e 的凌星現(xiàn)象，進(jìn)一步證實了這顆行星的存在。55 Cancri e 圍繞著一顆類似太陽的恒星運行，是一個超級地球，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。

人類首次探測出太陽系外

類地行星的大氣成分

JWST 的貢獻(xiàn)其實是發(fā)現(xiàn)這顆行星表面含有富含碳和氧元素的大氣層，意味著一個新的里程碑，這是人類首次探測出一顆太陽系外類地行星的大氣成分，而且確定其為“次生大氣”。

所謂“次生大氣”是相對于原始大氣來說的。行星的原始大氣是指行星形成初期通過引力在周圍吸附的大氣，主要是氫氣和氦氣（因為這兩種是宇宙中含量最多的）。但是氫氣和氦氣很輕，對于一般的巖石類地行星比如地球來說，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逐漸逃逸回宇宙空間中。

而次生大氣就是之后從行星內(nèi)部釋放出來的氣體，比如通過火山爆發(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來的。

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這顆“超級地球”

會是人類的下一個家園嗎？

目前的觀測技術(shù)還不能對這么小的行星直接成像看到它的外貌。不過，天文學(xué)家可以通過行星的性質(zhì)來推測想象它的樣子。

55 Cancri e 可以簡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，都屬于巖石類行星，但是它的公轉(zhuǎn)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，對著恒星的一面溫度超過 3000 度，表面都是熔融的巖漿，應(yīng)該不能像地球一樣孕育這么多生命。

未來隨著探測技術(shù)不斷發(fā)展，人類將能探測到更多類地行星的大氣。通過研究它們的大氣成分并與我們太陽系的行星對比，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，從中看到地球的過去甚至未來的樣子。

作者丨謝基偉 南京大學(xué)