科學(xué)家首次探測(cè)到巖石系外行星大氣層中氦氣流失現(xiàn)象

宇宙中大部分氣體由氫和氦混合而成。科學(xué)家普遍認(rèn)為，大多數(shù)行星的原始大氣層最初也以這兩種元素為主。然而，經(jīng)過數(shù)十億年的演化，行星大氣的成分可能發(fā)生顯著變化。氫可以與其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，氫和氦也可能逸散至太空中。金星、地球和火星被認(rèn)為都已擁有"第二代大氣層"，其原始的氫氦大氣早已消散殆盡或發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變。

大氣損失的動(dòng)態(tài)過程十分復(fù)雜。較輕的元素更容易流失，但氫可以通過融入甲烷、氨等分子而得到保護(hù)。天體自身的引力有助于留住部分分子，磁場(chǎng)則可以削弱輻射將物質(zhì)從大氣中剝離的能力。與恒星的距離同樣至關(guān)重要——恒星產(chǎn)生的輻射會(huì)加熱大氣層，使其膨脹擴(kuò)散到引力影響減弱的高度。

面對(duì)如此復(fù)雜的因素，預(yù)判系外行星大氣層的構(gòu)成并非易事。但本周三發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究，描述了對(duì)距地球約50光年的恒星LHS 1140周圍一顆系外行星大氣層氦氣流失的觀測(cè)結(jié)果。根據(jù)氦氣流失速率，科學(xué)家得以進(jìn)一步推斷該行星現(xiàn)有大氣層的組成。

LHS 1140是一顆紅矮星，目前已知有兩顆行星圍繞其運(yùn)行。其中，LHS 1140c距離宿主星較近，公轉(zhuǎn)周期略不足四天，接收到的輻射量約為地球接收太陽輻射量的五倍。另一顆行星LHS 1140b則距離宿主星遠(yuǎn)得多，公轉(zhuǎn)周期接近25天，其軌道位置甚至比水星距太陽還近。但由于LHS 1140a亮度極低，LHS 1140b所接收到的恒星光照不足地球接收太陽光照的一半。

如果這些光照全部轉(zhuǎn)化為熱量，行星表面的溫度將足以維持液態(tài)水的存在。

科學(xué)家通過LHS 1140b對(duì)宿主星的引力影響以及凌星觀測(cè)對(duì)其進(jìn)行了研究。數(shù)據(jù)顯示，該行星質(zhì)量約為地球的5.5倍，半徑為地球的1.7倍，與類地構(gòu)成基本吻合——含有大量巖質(zhì)物質(zhì)以及相當(dāng)數(shù)量的水或大氣層（具體比例取決于鐵的含量）。

目前尚不確定LHS 1140b是否存在大氣層，更無從得知其成分。已知該星系年齡至少有30億年，大氣層有充足時(shí)間演化。紅矮星還頻繁爆發(fā)，釋放大量高能輻射，而這顆行星已經(jīng)歷了漫長(zhǎng)歲月的輻射轟擊。

正是在這一背景下，一支由美國(guó)研究人員組成的團(tuán)隊(duì)，在LHS 1140b繞宿主星運(yùn)行期間展開了對(duì)氦氣的探測(cè)。

對(duì)系外行星大氣層成像極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇┻^大氣層的恒星光量相較于直接抵達(dá)地球的光量極為微弱。觀測(cè)紅矮星相對(duì)有利，因?yàn)槠湔w光量較少，行星相對(duì)于這類小型恒星的體積比例也更大。因此，這顆擁有兩顆已知行星的紅矮星成為了理想的觀測(cè)目標(biāo)。研究人員使用安裝在智利阿塔卡馬沙漠拉斯坎帕納斯天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡上的近紅外成像設(shè)備進(jìn)行觀測(cè)。

觀測(cè)圖像涵蓋了LHS 1140b和LHS 1140c凌星前、凌星中及凌星后各階段，以及兩顆行星位于軌道其他位置時(shí)的狀態(tài)。在LHS 1140c凌星期間未檢測(cè)到氦氣信號(hào)，但在LHS 1140b凌星前后均出現(xiàn)了氦氣信號(hào)，且信號(hào)范圍明顯超出行星半徑。研究人員認(rèn)為，這說明LHS 1140b同時(shí)存在向前延伸的"前導(dǎo)尾"和向后延伸的"拖尾"氦氣流。

（盡管行星軌道后方的拖尾現(xiàn)象在直覺上容易理解，但在其他星系中也曾觀測(cè)到磁場(chǎng)相互作用和恒星風(fēng)驅(qū)動(dòng)形成前導(dǎo)尾的情況。）

研究人員將這兩條氦氣尾的存在解讀為恒星高能輻射正在驅(qū)動(dòng)大氣氦氣持續(xù)逃逸的跡象。他們利用XMM-Newton X射線成像衛(wèi)星對(duì)該恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。估算結(jié)果顯示，目前氦氣的逃逸速率約為每秒10萬千克，與將一個(gè)初始質(zhì)量占行星總質(zhì)量1.5%的原始大氣層耗盡所需的速率相近。由于紅矮星在早期活動(dòng)更為劇烈，過去某些時(shí)期的大氣流失速率很可能還要更高。

值得注意的是，研究人員在一年后重復(fù)觀測(cè)時(shí)未能探測(cè)到氦氣信號(hào)（這并不意味著氦氣不存在，只是低于探測(cè)極限）。這說明大氣流失過程存在較大波動(dòng)性，或許正因如此，氦氣流失現(xiàn)象至今仍能被觀測(cè)到。

氦氣流失的事實(shí)本身實(shí)際上揭示了大氣成分的重要信息。如果大氣中仍含有大量氫，氫將吸收大量輻射，起到保護(hù)氦氣的屏障作用。LHS 1140b大量流失氦氣的現(xiàn)象表明，其大氣中幾乎已不含氫或含量極少。

與此同時(shí)，氦氣的流失速率為評(píng)估大氣中其他原子所能獲得的逃逸能量提供了參考。研究人員認(rèn)為，原子質(zhì)量超過9的元素將無法逃逸出大氣層。這意味著連氧和氮的原子態(tài)形式都能被留住，而包括氨、甲烷和水在內(nèi)的各類分子同樣會(huì)留存于大氣中。

綜合來看，研究人員描繪出這樣一幅圖景：這是一顆體積較大的巖質(zhì)行星，上層大氣富含氦氣，未參與反應(yīng)的氫早已散逸殆盡，而其下方可能存在更厚實(shí)的大氣層，但其具體成分目前仍是未知。

研究人員在論文結(jié)尾提及了"宇宙海岸線"這一概念——這是恒星輻射將大氣層徹底蒸發(fā)、留下無大氣巖石星球的邊界，與輻射較低且條件有利、能使大氣層穩(wěn)定存在數(shù)十億年的區(qū)域之間的分界線。如今我們已知，這一星系中的宇宙海岸線，正好劃定在LHS 1140c與LHS 1140b之間。

Q&A

Q1：LHS 1140b是什么類型的行星？它可能有大氣層嗎？

A：LHS 1140b是一顆質(zhì)量約為地球5.5倍、半徑為地球1.7倍的巖質(zhì)系外行星，距地球約50光年。其構(gòu)成與類地行星相似，含有大量巖質(zhì)物質(zhì)和一定量的水或大氣。研究表明，該行星上層大氣富含氦氣，氫氣已基本散逸，下方可能存在更厚的大氣層，但具體成分尚不明確。若其接收的星光全部轉(zhuǎn)化為熱量，表面溫度將足以維持液態(tài)水存在。

Q2：科學(xué)家是如何探測(cè)到LHS 1140b大氣層中氦氣流失的？

A：研究團(tuán)隊(duì)使用安裝在智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡上的近紅外成像設(shè)備，在LHS 1140b凌星前后捕捉到了氦氣信號(hào)。信號(hào)范圍超出行星半徑，顯示出前導(dǎo)尾和拖尾結(jié)構(gòu)，說明氦氣正被恒星高能輻射驅(qū)動(dòng)逃逸。同時(shí)，研究人員借助XMM-Newton X射線衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，估算氦氣逃逸速率約為每秒10萬千克。

Q3：氦氣流失能說明LHS 1140b大氣層中還有哪些成分？

A：氦氣大量流失表明大氣中幾乎不含氫，因?yàn)闅淙舸嬖跁?huì)吸收輻射并保護(hù)氦氣。根據(jù)氦氣逃逸速率推算，原子質(zhì)量超過9的元素（包括氧、氮）無法逃逸，仍會(huì)留存于大氣中，甲烷、氨、水等分子也能保留。這意味著LHS 1140b上層大氣以氦氣為主，而下層可能存在含有較重元素或分子的較厚大氣層。

Ars Technica宇宙海岸線系外行星LHS 1140