韋伯望遠(yuǎn)鏡揭示一顆如同水星般漆黑無(wú)氣的“超級(jí)地球”

一顆臨近的“超級(jí)地球”正為科學(xué)家提供難得機(jī)會(huì)，讓他們直接窺見(jiàn)一顆遙遠(yuǎn)巖石行星裸露的表面，而它與地球的相似之處寥寥。 這顆行星名為 LHS 3844 b，最新觀測(cè)顯示，它是一個(gè)熾熱、黑暗、沒(méi)有大氣包裹的世界，表面成分和地質(zhì)狀態(tài)更接近月球或水星，而非類(lèi)地行星。

科研團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）上的中紅外儀器 MIRI，對(duì)這顆行星的日面進(jìn)行了精細(xì)觀測(cè)。 研究由曾在德國(guó)海德堡馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所（MPIA）攻讀博士的塞巴斯蒂安·齊巴領(lǐng)銜，MPIA 所長(zhǎng)、項(xiàng)目首席研究員勞拉·克賴德伯格參與其中。 相比以往主要聚焦系外行星大氣，這項(xiàng)工作進(jìn)一步將研究前沿推進(jìn)到“系外行星地質(zhì)學(xué)”——嘗試直接約束太陽(yáng)系外巖石行星的表面組成與演化歷史。 相關(guān)成果發(fā)表于《自然·天文學(xué)》期刊。

LHS 3844 b 是一顆巖石行星，半徑比地球大約大 30%。 它圍繞一顆冷紅矮星超近距離運(yùn)行，公轉(zhuǎn)周期僅約 11 小時(shí)，行星與母星的距離只有約三個(gè)恒星直徑。 如此緊密的軌道導(dǎo)致行星處于潮汐鎖定狀態(tài)，一面永遠(yuǎn)朝向恒星熾烤，另一面則長(zhǎng)期處于黑暗之中。 其日面溫度高達(dá)約 1000 開(kāi)爾文（約 725 攝氏度），整個(gè)行星系統(tǒng)距離地球僅約 48.5 光年。

得益于韋布望遠(yuǎn)鏡卓越的靈敏度，科研人員得以直接測(cè)量來(lái)自這顆巖石行星表面的熱輻射亮度。 “我們看到的是一塊黑暗、熾熱、貧瘠的巖石，完全沒(méi)有任何可探測(cè)的大氣，”克賴德伯格如此形容觀測(cè)結(jié)果。 由于望遠(yuǎn)鏡無(wú)法直接分辨出行星圓面，研究人員采用的是“次級(jí)食”和“相位曲線”技術(shù)，通過(guò)追蹤整個(gè)系統(tǒng)總亮度隨軌道變化的微弱起伏，反演行星日面發(fā)出的紅外輻射。

MIRI 在 5–12 微米波段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)，并將這一波段進(jìn)一步劃分為更細(xì)的子波段，從而獲取行星日面輻射的中紅外光譜分布。 團(tuán)隊(duì)還將此前斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)納入分析，以提高光譜擬合的穩(wěn)健性。 通過(guò)對(duì)比不同波長(zhǎng)處的亮度與理論模型，科研人員得以檢驗(yàn)多種潛在的表面物質(zhì)組合，從地球花崗質(zhì)地殼到月球式玄武巖和幔源熔巖等。

計(jì)算結(jié)果明確排除了類(lèi)似地球大陸地殼的表面場(chǎng)景。 地球的富硅酸鹽花崗質(zhì)地殼通常通過(guò)漫長(zhǎng)的板塊構(gòu)造和巖漿再循環(huán)形成，往往需要液態(tài)水參與，反復(fù)的熔融與分異使輕質(zhì)礦物逐漸漂浮至表層。 齊巴指出，LHS 3844 b 的光譜看不到這種富硅酸鹽、花崗質(zhì)地殼的跡象，這意味著地球式板塊構(gòu)造要么在這顆行星上從未發(fā)生，要么早已停止并且難以發(fā)揮作用。 這也暗示該行星內(nèi)部可用水分含量極低，與習(xí)慣意義上的“類(lèi)地行星”存在本質(zhì)差異。

與之相反，觀測(cè)更支持一個(gè)“玄武巖主導(dǎo)”的表面景象。 數(shù)據(jù)最符合的模型是大面積由幔源巖漿凝固形成的玄武質(zhì)巖石，類(lèi)似地球上廣袤的玄武巖平原，或月球上的“月海”。 這類(lèi)巖石通常富含鎂和鐵，包含如橄欖石在內(nèi)的多種鐵鎂硅酸鹽礦物。 擬合表明，較為粗糙的巖石或礫石層同樣可以很好匹配觀測(cè)，而單一由細(xì)粉塵構(gòu)成的表面則過(guò)于明亮，與當(dāng)前觀測(cè)不符。

由于缺乏大氣屏障，LHS 3844 b 的表面完全暴露在母恒星輻射和流星體轟擊之下，長(zhǎng)期遭受所謂“空間風(fēng)化”作用。 這些過(guò)程會(huì)逐漸將堅(jiān)硬巖石破碎成類(lèi)似月球風(fēng)化層的細(xì)小顆粒，并在其表面富集鐵和碳，使物質(zhì)變得更暗、更吸熱。 齊巴指出，正是這種風(fēng)化后的暗色風(fēng)化層，使得行星表面的整體光學(xué)和紅外性質(zhì)與觀測(cè)結(jié)果更加一致。

基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)提出了兩種可能的表面演化圖景。 第一種是行星表面廣泛覆蓋相對(duì)“年輕”的玄武質(zhì)巖石，暗示近期或持續(xù)的火山活動(dòng)不斷向表面輸送新鮮熔巖。 第二種則是長(zhǎng)期空間風(fēng)化主導(dǎo)的“老舊”表面：曾經(jīng)的巖漿平原在億萬(wàn)年間被輻照和撞擊反復(fù)加工，如同月球或水星那樣被厚厚的暗色風(fēng)化層覆蓋。 從光譜形態(tài)看，這后一種“長(zhǎng)期靜默”的場(chǎng)景與觀測(cè)更加相符。

要區(qū)分這兩種場(chǎng)景，一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是行星上是否存在正在進(jìn)行的火山活動(dòng)。 在許多地質(zhì)活躍天體上，火山會(huì)釋放出大量氣體，其中二氧化硫（SO?）是典型的示蹤物之一。 如果 LHS 3844 b 具有強(qiáng)烈的當(dāng)代火山活動(dòng)，MIRI 理論上應(yīng)能在中紅外光譜中識(shí)別出 SO? 的特征吸收帶。 然而，觀測(cè)并未發(fā)現(xiàn)這類(lèi)特征，這使近期火山活動(dòng)的可能性大大降低，反而支持其表面已經(jīng)長(zhǎng)期“冷卻休眠”的解釋?zhuān)瑥亩诿婷采细咏恰?/p>

為了進(jìn)一步厘清這顆行星的真實(shí)面貌，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)規(guī)劃了更多后續(xù)的 JWST 觀測(cè)。 其中一項(xiàng)關(guān)鍵工作是測(cè)量行星表面在不同視角下的熱輻射與反射特性，通過(guò)光的散射方式來(lái)區(qū)分粗糙巖石面與相對(duì)平滑或松散的物質(zhì)。 這類(lèi)技術(shù)已經(jīng)在太陽(yáng)系內(nèi)小行星研究中取得成功，如今被移植到系外行星領(lǐng)域，有望讓科學(xué)家判定 LHS 3844 b 的表層究竟是整塊巖石板、熔巖平原，還是厚實(shí)的粉末與碎塊堆積。

克賴德伯格表示，團(tuán)隊(duì)有信心利用同樣的方法，不僅揭示 LHS 3844 b 的地殼性質(zhì)，也為未來(lái)更多巖石系外行星提供“表面級(jí)”信息。 本次使用的 JWST 觀測(cè)來(lái)自編號(hào)為 1846 的一般觀測(cè)項(xiàng)目，題為“在熾熱巖石系外行星 LHS 3844 b 上尋找火山和地球動(dòng)力學(xué)跡象”，由她擔(dān)任首席科學(xué)家、任如擔(dān)任聯(lián)合首席。 參與此次研究的機(jī)構(gòu)遍布美國(guó)、德國(guó)、中國(guó)等多國(guó)，包括哈佛-史密森天體物理中心、加州理工學(xué)院、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)、NASA 戈達(dá)德太空飛行中心以及多所歐洲高校和研究機(jī)構(gòu)。

負(fù)責(zé)本次觀測(cè)的 MIRI 儀器由歐洲多國(guó)組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)研制，成員包括比利時(shí)、丹麥、法國(guó)、德國(guó)、愛(ài)爾蘭、荷蘭、西班牙、瑞典、瑞士和英國(guó)等國(guó)，相關(guān)工作在各國(guó)國(guó)家科研機(jī)構(gòu)資助下開(kāi)展。 在德國(guó)，主要資助方為馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)和德國(guó)航空航天中心，參與單位包括海德堡的馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所、科隆大學(xué)以及亨索爾德公司等。 作為當(dāng)今最重要的空間天文設(shè)施之一，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡由 NASA 牽頭，歐洲航天局和加拿大航天局共同參與，致力于在宇宙早期星系形成、恒星和行星誕生、以及系外行星大氣與表面性質(zhì)等領(lǐng)域開(kāi)辟新視窗。 在此之前，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡已通過(guò)紅外觀測(cè)為系外行星研究奠定基礎(chǔ)，其相關(guān)項(xiàng)目由加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室受 NASA 委托運(yùn)營(yíng)。