本文来自微信公众号： 原理 ，作者：不二北斗
天文学家已经确认发现了6000多颗围绕其他恒星运行的系外行星，其中许多都像地球一样，是体积较小的岩质行星。理论模型预测，大气是决定行星宜居性的关键因素。岩质系外行星的大气可以调节气候、保护行星表面免受电离辐射，并为液态水的存在创造条件。
虽然科学家已经在高温气态巨行星上探测到大气，但要确认体积更小、温度更低的岩质系外行星是否拥有大气，仍然十分困难。包括韦布空间望远镜（JWST）在内的多台望远镜一直在积极搜寻，却大多只发现了没有大气的岩质世界。
在一项新发表于《科学》的研究中，一个天文学家团队在名为LHS 1140 b的超级地球周围，探测到了大气存在的证据。如果这一结果得到进一步确认，将成为理解岩质系外行星大气演化及其潜在宜居性的一项重要突破。
微弱的信号
寻找系外行星的大气，尤其是寻找温度适中、可能存在液态水的行星大气，是发现潜在宜居行星的关键。天文学家已经发现了大量类似木星或土星的气态巨行星，但这些行星不仅没有岩质表面，而且其中许多距离恒星极近，温度高得惊人，因此并不适合生命生存。
行星的宿主星发出的强光已经让发现行星本身变得十分不易，而要进一步探测行星更加微弱的大气信号，就更加困难了。为了降低观测难度，天文学家把注意力集中在一种体积较小、亮度较低的恒星上，也就是红矮星（M型矮星）。这类恒星周围似乎存在许多岩质行星。
在许多研究中，科学家会利用凌星法来研究围绕着这些恒星宜居带运行的行星。所谓凌星法，就是当行星从宿主星前方经过时，探测到的恒星亮度会出现的微小而周期性的下降。天文学家可以借此寻找被行星大气气体吸收的特定频率的光。
但迄今为止，天文学家还没有找到任何令人信服的证据。例如，距离地球仅41光年的M型矮星TRAPPIST-1周围运行着7颗地球大小的行星，但到目前为止，这些行星都没有显现出大气存在的迹象。
理想的观测目标
在这项新的研究中，研究团队创建了一个计算机模型，用来模拟系外行星大气如何随时间演化。这个模型尤其关注氢和氦等较轻元素的行为。这些元素往往会逐渐扩散到行星大气的外层，并率先在宿主星的加热和爆发活动作用下被加热逸散。
研究人员将这一模型应用于距离地球49光年的LHS 1140 b。这颗系外行星于2017年被发现，围绕着一颗年龄较老的红矮星运行，公转周期仅为24.7天。它的质量约为地球的5.6倍，半径约为地球的1.7倍，接收到的恒星辐射约为地球的42%。
在这幅艺术构想图中，系外行星LHS 1140 b位于前景，周围环绕着一层富含氦的大气。在远处，另一颗邻近的岩质行星正围绕同一颗低温红矮星运行。（图/Melissa Weiss/CfA）
这些特征与一颗整体组成和地球相似的岩质行星相符。它可能拥有相当厚的大气，也可能被水或冰包裹，或者同时包含这三种成分。因此，它非常适合作为研究团队的观测目标。
此前的研究已经明确排除了LHS 1140 b拥有稠密氢大气的可能性，不过，天文学家也发现过一些尚无定论的迹象，暗示其大气中可能存在氮等较重气体。新模型的预测结果显示，LHS 1140 b的高层大气应当以氦为主。
捕捉逃逸的氦
为了寻找这些氦，研究团队利用安装在麦哲伦望远镜上的一台强大仪器——WINERED光谱仪，对LHS 1140 b进行了观测。这台仪器对近红外波段中的氦吸收谱线十分灵敏。
具有高灵敏度的光谱仪WINERED，安装在位于智利的拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦望远镜上。（图/Milan Karol/Carnegie Science）
光谱是研究天体性质的一种方式，可以用来分析天体的组成、速度和运动状态。光谱观测会将宿主恒星发出的光分解成不同的组成部分，就像棱镜能够将光分解成彩虹一样。当这些恒星光穿过系外行星的大气时，天文学家便可以判断其中存在哪些元素。
2024年的一个夜晚，研究团队对LHS 1140行星系统进行了观测。当晚，LHS 1140 b和另一颗体积更小、距离恒星更近的行星LHS 1140 c，都从宿主恒星前方经过。当较大的LHS 1140 b凌星时，研究人员看到，在一个已知会被氦吸收的波长上，恒星光的亮度出现了下降。而当较小的LHS 1140 c凌星时，他们没有看到这样的信号。
然而，在2025年的重复观测中，研究人员却没有再次看到同样的信号。这或许意味着，这颗行星的氦逃逸程度似乎会随时间发生变化。
分层的大气
结合早期观测结果和系外行星演化模型，研究团队认为，LHS 1140 b可能拥有一个分层程度很高的大气层：高层大气以氦为主、氢含量较低，而水等较重的化学成分则主要留存在更低、更接近行星表面的区域。
研究人员推测，这颗行星的大气可能已经保留了30多亿年。2024年和2025年观测结果的差异还表明，其氦逃逸过程可能会在人类能够观测到的时间尺度上发生变化。不过，这种变化的具体原因，以及氦信号能否得到独立验证，仍有待更多观测确认。
这项研究不仅初步验证了团队建立的大气演化模型，也表明，利用地面望远镜寻找逃逸气体，可能成为研究岩质系外行星大气的一种新方法。未来，研究人员还将进一步确定LHS 1140 b的大气组成，并利用这一模型寻找更多类似的行星。
#参考来源：
https://www.cfa.harvard.edu/news/first-atmosphere-detected-habitable-zone-rocky-world
https://carnegiescience.edu/detected-rocky-habitable-zone-exoplanet-atmosphere
https://www.science.org/content/article/astronomers-spot-first-atmosphere-around-potentially-habitable-alien-world
https://www.eurekalert.org/news-releases/1135962
#图片来源：
封面图&首图：Melissa Weiss/CfA