编译：高杰
天文学家已发现超过6000颗围绕其他恒星运行的行星，其中许多与地球类似，体积较小且为岩石质地。然而，尽管多年来持续搜寻，这类星球拥有稳定大气层的确凿证据却一直难以获得。
近日，一项发表在《科学》的研究称，距离地球相对较近的“超级地球”LHS 1140b，似乎正在向太空泄漏氦气，这表明它拥有大气层。
在这幅艺术构想图中，LHS 1140b围绕其恒星运行，远处还有一颗岩石行星。 Melissa Weiss/CfA
寻找外星大气，尤其是可能存在液态水的温带行星上的大气，是寻找可能支持生命的行星的关键。天文学家已发现了大量类似木星或土星的气态巨行星，但除了缺乏岩石表面外，许多行星还过于靠近其恒星，导致温度极高，因而无法居住。
探测小型岩石行星周围的大气层尤为困难。行星母星发出的强烈光芒已经使观测该行星变得十分艰难，而探测其大气层那微弱得多的信号则更加困难。为了简化这一过程，天文学家将目光集中在一类名为M型矮星的小而暗淡的恒星上，幸运的是，这类恒星周围似乎拥有大量岩石行星。在许多研究中，科学家通过寻找行星经过其母恒星前方时，大气气体吸收特定频率光线的现象来开展探测。
但迄今为止，天文学家尚未找到任何令人信服的发现。例如，距离地球仅41光年的M型矮星TRAPPIST-1周围环绕着7颗类地行星，但目前这些行星尚未显示出拥有大气层的迹象。这让许多人担心M型矮星在年轻时通常非常活跃，会将行星的大气层吹散。
为解决这一问题，詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的管理者已投入500小时的观测时间，用于确定围绕M型矮星运行的小型岩石行星是否拥有大气层。他们正通过一种间接方法，针对不同恒星周围的9颗系外行星进行探测，以判断其是否存在大气层。JWST会测量行星面向恒星一侧的温度。如果该昼面温度与预期一样高，那么这颗行星很可能是一颗裸露的岩石；但如果昼面温度低于预期，则表明热量被风带到了行星的夜面，暗示其存在大气层。
该研究项目最近发布了其首个目标——距离地球52光年的类地行星GJ 3929b的数据。初步分析显示，这颗行星呈现出典型的裸露岩石特征。不过，研究人员仍无法排除其存在稀薄大气层的可能性。
7月16日发表本次研究成果的团队采用了不同的方法。研究负责人、哈佛大学行星科学家Collin Cherubim建立了一个计算机模型，用于研究系外行星大气层随时间的演化过程。该模型尤其关注较轻的元素（如氢和氦）如何逐渐向行星外层大气漂移，并最先因恒星的热量和爆发而被蒸发掉。结果，氮气和氧气等较重的气体由于受到行星引力更强的束缚，会更多地富集在较低的大气层中。
Cherubim将该模型应用于LHS 1140b，这是一颗距离地球约49光年、已被广泛研究的行星，其密度略低于地球。这意味着它可能拥有大量大气层，或被水、冰覆盖，又或是三者兼有。此前对这颗行星的研究已明确排除了高密度氢气大气的可能性，但发现了氮气等较重气体存在的不确定线索。Cherubim的模型预测，LHS 1140b的高层大气主要由氦气构成，这些氦气正在像太空中逸出。
2024年观测到LHS 1140b的时间序列谱
为了寻找氦，研究团队使用了位于智利的6.5米口径麦哲伦望远镜，该望远镜最近安装了一台新的高分辨率光谱仪。“它对近红外波段的这条氦元素谱线非常敏感，说明很匹配。”Cherubim表示。2024年，团队在观测LHS 1140系统时，恰逢LHS 1140b和另一颗更小且更靠近恒星的行星LHS 1140c同时从其母恒星前方经过。当较大的行星凌日时，研究人员发现恒星亮度在已知被氦吸收的波长处明显下降；而当较小的行星经过时，并未观测到类似的信号。
该团队在第二年重复了观测，也没有发现相同的信号，这表明氦的流失随时间而变化。蒙特利尔大学天文学家René Doyon指出，M型矮星有时会表现出相同的氦吸收信号，因为其大气中本身就存在这种气体。但他表示，恒星大气中的可变氦气恰好在凌日期间模拟出行星信号，这种情况“相当巧合”。
2024年观察到氦吸收随时间和线谱分布的变化
Doyon表示，这种可变性仍然是一个谜。“这需要其他仪器进行更多观测，并通过独立分析来确保结果的准确性。”
由于LHS 1140b 的诸多优势，许多研究团队正在聚焦这颗行星。除了距离较近之外，它的低层大气中可能还隐藏着氮气和二氧化碳等气体，与地球十分相似。如果这些气体能产生温室效应，那么这颗行星或许就拥有足够温暖、可供游泳的液态水海洋。
数据图及参考来源：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.aea9708?adobe_mc=MCMID%3D42791565458095852300434762742549063242%7CMCORGID%3D242B6472541199F70A4C98A6%2540AdobeOrg%7CTS%3D1784110115
[2]https://www.science.org/content/article/astronomers-spot-first-atmosphere-around-potentially-habitable-alien-world
