韋伯望遠鏡揭示一顆如同水星般漆黑無氣的“超級地球”

一顆臨近的“超級地球”正為科學家提供難得機會，讓他們直接窺見一顆遙遠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，最新觀測顯示，它是一個熾熱、黑暗、沒有大氣包裹的世界，表面成分和地質狀態更接近月球或水星，而非類地行星。

科研團隊利用美國國家航空航天局（NASA）詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）上的中紅外儀器 MIRI，對這顆行星的日面進行了精細觀測。 研究由曾在德國海德堡馬克斯·普朗克天文學研究所（MPIA）攻讀博士的塞巴斯蒂安·齊巴領銜，MPIA 所長、項目首席研究員勞拉·克賴德伯格參與其中。 相比以往主要聚焦系外行星大氣，這項工作進一步將研究前沿推進到“系外行星地質學”——嘗試直接約束太陽系外巖石行星的表面組成與演化歷史。 相關成果發表于《自然·天文學》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行，公轉周期僅約 11 小時，行星與母星的距離只有約三個恒星直徑。 如此緊密的軌道導致行星處于潮汐鎖定狀態，一面永遠朝向恒星熾烤，另一面則長期處于黑暗之中。 其日面溫度高達約 1000 開爾文（約 725 攝氏度），整個行星系統距離地球僅約 48.5 光年。

得益于韋布望遠鏡卓越的靈敏度，科研人員得以直接測量來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，完全沒有任何可探測的大氣，”克賴德伯格如此形容觀測結果。 由于望遠鏡無法直接分辨出行星圓面，研究人員采用的是“次級食”和“相位曲線”技術，通過追蹤整個系統總亮度隨軌道變化的微弱起伏，反演行星日面發出的紅外輻射。

MIRI 在 5–12 微米波段對系統進行觀測，并將這一波段進一步劃分為更細的子波段，從而獲取行星日面輻射的中紅外光譜分布。 團隊還將此前斯皮策空間望遠鏡的數據納入分析，以提高光譜擬合的穩健性。 通過對比不同波長處的亮度與理論模型，科研人員得以檢驗多種潛在的表面物質組合，從地球花崗質地殼到月球式玄武巖和幔源熔巖等。

計算結果明確排除了類似地球大陸地殼的表面場景。 地球的富硅酸鹽花崗質地殼通常通過漫長的板塊構造和巖漿再循環形成，往往需要液態水參與，反復的熔融與分異使輕質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、花崗質地殼的跡象，這意味著地球式板塊構造要么在這顆行星上從未發生，要么早已停止并且難以發揮作用。 這也暗示該行星內部可用水分含量極低，與習慣意義上的“類地行星”存在本質差異。

與之相反，觀測更支持一個“玄武巖主導”的表面景象。 數據最符合的模型是大面積由幔源巖漿凝固形成的玄武質巖石，類似地球上廣袤的玄武巖平原，或月球上的“月海”。 這類巖石通常富含鎂和鐵，包含如橄欖石在內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，而單一由細粉塵構成的表面則過于明亮，與當前觀測不符。

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，長期遭受所謂“空間風化”作用。 這些過程會逐漸將堅硬巖石破碎成類似月球風化層的細小顆粒，并在其表面富集鐵和碳，使物質變得更暗、更吸熱。 齊巴指出，正是這種風化后的暗色風化層，使得行星表面的整體光學和紅外性質與觀測結果更加一致。

基于現有數據，團隊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“年輕”的玄武質巖石，暗示近期或持續的火山活動不斷向表面輸送新鮮熔巖。 第二種則是長期空間風化主導的“老舊”表面：曾經的巖漿平原在億萬年間被輻照和撞擊反復加工，如同月球或水星那樣被厚厚的暗色風化層覆蓋。 從光譜形態看，這后一種“長期靜默”的場景與觀測更加相符。

要區分這兩種場景，一個關鍵指標是行星上是否存在正在進行的火山活動。 在許多地質活躍天體上，火山會釋放出大量氣體，其中二氧化硫（SO?）是典型的示蹤物之一。 如果 LHS 3844 b 具有強烈的當代火山活動，MIRI 理論上應能在中紅外光譜中識別出 SO? 的特征吸收帶。 然而，觀測并未發現這類特征，這使近期火山活動的可能性大大降低，反而支持其表面已經長期“冷卻休眠”的解釋，從而在面貌上更接近水星。

為了進一步厘清這顆行星的真實面貌，研究團隊已經規劃了更多后續的 JWST 觀測。 其中一項關鍵工作是測量行星表面在不同視角下的熱輻射與反射特性，通過光的散射方式來區分粗糙巖石面與相對平滑或松散的物質。 這類技術已經在太陽系內小行星研究中取得成功，如今被移植到系外行星領域，有望讓科學家判定 LHS 3844 b 的表層究竟是整塊巖石板、熔巖平原，還是厚實的粉末與碎塊堆積。

克賴德伯格表示，團隊有信心利用同樣的方法，不僅揭示 LHS 3844 b 的地殼性質，也為未來更多巖石系外行星提供“表面級”信息。 本次使用的 JWST 觀測來自編號為 1846 的一般觀測項目，題為“在熾熱巖石系外行星 LHS 3844 b 上尋找火山和地球動力學跡象”，由她擔任首席科學家、任如擔任聯合首席。 參與此次研究的機構遍布美國、德國、中國等多國，包括哈佛-史密森天體物理中心、加州理工學院、噴氣推進實驗室、北京大學、賓夕法尼亞州立大學、NASA 戈達德太空飛行中心以及多所歐洲高校和研究機構。

負責本次觀測的 MIRI 儀器由歐洲多國組成的聯合團隊研制，成員包括比利時、丹麥、法國、德國、愛爾蘭、荷蘭、西班牙、瑞典、瑞士和英國等國，相關工作在各國國家科研機構資助下開展。 在德國，主要資助方為馬克斯·普朗克學會和德國航空航天中心，參與單位包括海德堡的馬克斯·普朗克天文學研究所、科隆大學以及亨索爾德公司等。 作為當今最重要的空間天文設施之一，詹姆斯·韋布空間望遠鏡由 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等領域開辟新視窗。 在此之前，斯皮策空間望遠鏡已通過紅外觀測為系外行星研究奠定基礎，其相關項目由加州理工學院噴氣推進實驗室受 NASA 委托運營。