這顆“異類”巖石行星，居然裹著一層大氣？

當天文學家科林·切魯比姆把麥哲倫望遠鏡對準那顆紅矮星時，他只是想看看行星 LHS 1140b 會不會再次按時從星盤前掠過。就在那一小時多的凌星過程中，望遠鏡捕捉到了一些額外的光被吸收——那是一種細小的、原本不該出現(xiàn)的氦氣指紋。切魯比姆意識到，自己很可能撞上了一件天文學家尋找多年卻幾乎快要放棄的東西：一顆巖質行星，在它恒星的“宜居帶”里，還實實在在地裹著一層大氣。

在此之前，這個問題的另一端幾乎寫滿了悲觀。恒星世界里，有一種極小、極暗且極不友好的角色叫 M 矮星。它們是銀河系里最普遍的恒星，占比超過七成，但脾氣出了名地壞：動不動就拋出劇烈的紫外線耀斑，釋放出的高能輻射足以把繞行行星的表面刮得一干二凈。如果一個巖石行星離這樣的恒星足夠近，能接收到維持液態(tài)水的溫暖，那么它也離得足夠近，會被恒星風暴一遍又一遍地“洗禮”。于是很長時間里，許多天文學家傾向于認為，M 矮星周圍的巖石行星多半是光禿禿的裸巖，即使曾經有過大氣，也早已被剝離殆盡。“之前我們看到的行星，看起來都像裸露的巖石，”德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的天文學家勞拉·克雷德伯格說，“還不清楚這樣的行星是否真的能保有大氣。”

這種擔憂不是憑空臆想。行星大氣逃逸在太陽系外并不罕見。此前在小一點的“迷你海王星”周圍，科學家已經探測到氦氣正在從它們的膨脹大氣中流失。迷你海王星是介于地球和氣態(tài)巨行星之間的一類天體，質量和半徑都比地球大不少，但遠不及海王星那般厚重。它們厚厚的氫氦大氣正處在被恒星輻射一點點剝蝕的過程中，最終有可能徹底失去這層氣體，收縮成一顆光禿禿的巖石球。如果連比地球大得多的行星都在“掉氣”，那么像地球這樣嬌小的巖石行星，面對粗暴的 M 矮星，似乎更不應該保住什么大氣才對。

然而 LHS 1140b 給出了一個相反的答案。這顆行星的質量大約是地球的 5.6 倍，半徑是地球的 1.73 倍，正好落在那種可能由巖質核心和一層氣體外殼構成的構造區(qū)間里——也有可能是被全球性的海洋所覆蓋。它繞著一顆暗弱的 M 矮星旋轉，軌道剛好讓它表面的溫度能夠維持液態(tài)水的存在。也就是說，它處在所謂的“宜居帶”里，從物理學上看，具備讓水以液態(tài)形式存在的條件。但此前沒人知道它究竟是一顆有海有氣的世界，還是一顆被烤得只剩石頭的死星。

切魯比姆和同事決定直接去找大氣逃逸的證據。這里頭的邏輯很巧妙：如果一顆行星擁有大氣，那么它最輕的氣體——通常就是氦——會在大氣高層被恒星的輻射加熱到逃逸速度，緩慢但確定地流向太空。這樣在行星經過恒星前方時，恒星的光會在特定波長上被這些外流的氦原子額外吸收，形成一種特殊的光譜“指紋”。也就是說，你只要看到了計劃外的氦吸收，就等同于看到了正在外泄的大氣，也就意味著這顆行星此刻還有大氣可泄。在位于新墨西哥州的拉斯坎帕納斯天文臺，切魯比姆團隊利用麥哲倫黏土望遠鏡觀測了 LHS 1140b 的凌星。就在行星剛剛進入恒星圓面之前和剛剛離開之后的短暫時刻，望遠鏡捕捉到的光譜里，確實出現(xiàn)了一個明顯的氦氣吸收信號，顯示有過量的氦氣在吸收恒星的光。

“真正最讓人興奮的事情是，這顆行星居然擁有大氣，它確實存在大氣。”來自馬薩諸塞州劍橋的哈佛-史密松天體物理中心的行星天文學家切魯比姆這樣總結。這個發(fā)現(xiàn)發(fā)表在今年 7 月 16 日的《科學》雜志上，它意味著圍繞 M 矮星的巖石行星不僅可以擁有大氣，而且可以保有那么長的時間——長到也許能讓復雜化學過程有足夠的時間去展開。

當然，LHS 1140b 并不是一點氣體都不損失。它的氦氣同樣在向外流散，切魯比姆說這顆行星“正在緩慢地變化”。他估算在數(shù)十億年的天文時間尺度上，這顆行星的大氣終將變得截然不同。但重點在于它的流失速率格外地慢。與那些更熱、更大的迷你海王星比起來，LHS 1140b 的表面溫度更低，大氣質量流失率遠低于前者。根據切魯比姆的計算，這顆行星已經撐過了 30 億年以上，將大氣維持到了現(xiàn)在；而且還能繼續(xù)穩(wěn)定 10 億年。即便之后最輕的氦氣被耗散殆盡，由更重的氣體比如二氧化碳或氮氣構成的大氣仍然能繼續(xù)存在。換句話說，就算容顏有所變化，這層“外套”并不會徹底消失。

克雷德伯格聽到這個消息時，心里那塊懸了很久的石頭落了地。“現(xiàn)在我對太陽系之外存在宜居環(huán)境的可能性感到更樂觀了，”她說。她的這份樂觀并不是建立在某個天翻地覆的新理論上，恰恰是因為這個發(fā)現(xiàn)把原本看似針鋒相對的兩股力量放在了一起：一方是 M 矮星持續(xù)不斷的破壞力，另一方是行星本身足夠堅固的引力，以及它形成之初氣體庫存的規(guī)模，最終讓大氣得以保存至今。它不是贏在某個瞬間，而是贏在了漫長的時間競賽上。

但一場辯論被新證據終結的同時，更多的問題也隨之浮出水面。氦氣的存在只是第一步，我們想知道這層大氣究竟有多厚，里面除了氦還有沒有氫、水蒸氣、甲烷或者氮分子。這些成分一旦被確認，將對判斷這顆行星表面是否真的適宜液態(tài)水——甚至更進一步的化學循環(huán)——提供關鍵約束。單次的探測結果也需要被獨立重復驗證。“必須再有另一次探測，才能真正確認大氣確實在那里，”克雷德伯格提醒說。她的話里既有發(fā)現(xiàn)的興奮，也有科學家骨子里的冷靜。

正因為如此，全世界的目光正轉向詹姆斯·韋布空間望遠鏡。這架紅外波段觀測能力極強的太空望遠鏡，將有機會在后續(xù)的觀測中，把 LHS 1140b 大氣中的其他分子線索一一捕捉出來。如果它再次探測到氦氣，就將徹底夯實這次發(fā)現(xiàn)的根基；更重要的是，它可能告訴我們這顆行星是否只是一顆帶著稀薄氦殼的巖球，還是說它真的裹著一層類似地球早期那樣更復雜、更富有化學故事的大氣。這個問題至今沒有答案，但對于所有期待在銀河系找到另一個適合生命萌發(fā)的世界的人來說，LHS 1140b 的大氣不再只是一個假說，而是一個可以著手檢驗的具體目標。

回過頭再看，整件事像一個漫長的辯論終于迎來了中途的裁決。正方的論據是行星形成理論及其物質構成，它們說巖石行星理應有機會抓取氣體、形成起保護作用的大氣層；反方的論據是 M 矮星惡劣的輻射環(huán)境，用一次又一次的耀斑展示它們銷毀氣體的能力。長久以來，反方的證據似乎更加直觀——當你看到那么多被燒得精光的裸巖時，很難繼續(xù)賭土里有水有氣。但 LHS 1140b 的出現(xiàn)提醒我們，這個宇宙中還有一種被忽略的可能性：哪怕生在一條大風大浪的恒星街區(qū)，一顆足夠沉著、質量也足夠大的巖石行星，依然可以為自己保有一層輕薄的氣體外衣，一穿就是幾十億年。

而這場辯論帶來的真正禮物，或許是讓天文界在尋找“第二地球”的路上，重新把目光對準了那些數(shù)量龐大的 M 矮星系統(tǒng)。以前因為對大氣的悲觀預期，許多搜索計劃在 M 矮星周圍趨于保守。現(xiàn)在，至少有一個站得住腳的反例證明，這些暗弱小恒星身邊并非注定是無氣裸巖。這個轉變不會立即帶來發(fā)現(xiàn)外星生命的大新聞，但它在策略上把一扇曾經半掩的門又推開了一些。接下來，該由韋布望遠鏡和其他后續(xù)的設備，去看看那扇門后面到底還有多少類似的、裹著大氣的巖石世界。