韦伯望远镜揭示意想不到的系外行星55 Cancri e的大气层

摘要:

詹姆斯-韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)最近的观测发现了神秘的超级地球55 Cancri e,揭示了它的大气层可能由一氧化碳或二氧化物等气体组成。这一发现凸显了这颗行星由于靠近恒星而处于极端的环境中,并有可能为了解岩质行星的早期大气层提供启示。

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这幅艺术家的概念图展示了系外行星 55 Cancri e 的模样。巨蟹座55号也被称为"杨森",是一颗所谓的超级地球,是一颗比地球大得多但比海王星小得多的岩质行星,它绕恒星运行的距离只有140万英里(0.015个天文单位),不到18个小时就能完成一个完整的轨道运行(水星距离太阳的距离是巨蟹座55号的25倍)。(水星距太阳的距离是巨蟹座 55 号距其恒星距离的 25 倍)该系统还包括四颗大型气体巨行星,位于巨蟹座,距地球约 41 光年。资料来源:NASA、ESA、CSA、拉尔夫-克劳福德(STScI)

巨蟹座 55 是围绕巨蟹座中一颗类太阳恒星运行的五颗已知行星之一。这颗行星的直径几乎是地球的两倍,密度稍大,被归类为超级地球:比地球大,比海王星小,成分与太阳系中的岩石行星相似。

伯尔尼大学空间与宜居性研究中心(CSH)的 Brice-Olivier Demory 是NCCRPlanetS 的成员,也是这项刚刚发表在《自然》杂志上的研究的共同作者。

他说:"巨蟹座 55 是最神秘的系外行星之一。尽管在过去的十年中,我们利用十几个地面和太空设施获得了大量的观测时间,但它的本质仍然难以捉摸,直到今天,詹姆斯-韦伯太空望远镜(JWST)终于可以拼凑出部分谜题。"

出乎意料的是,这些观测结果表明,一颗高温、高辐照度的岩质行星有可能维持气态大气,这预示着JWST有能力描述围绕类太阳恒星运行的温度较低、可能适宜居住的岩质行星的特征。来自美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的胡仁宇带领团队在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。他说:"JWST确实将系外行星特征描述的前沿推向了岩质系外行星。"它真正实现了一种新型科学"。

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CHEOPS 的艺术印象。图片来源:ESA / ATG medialab

Demory 是胡在麻省理工学院(MIT)时的同事之一,胡邀请他参加研究项目。Demory 从职业生涯一开始就一直在研究巨蟹座 55:"作为麻省理工学院的博士后,我领导发现了55 Cancri e的首次凌日,2016年,我的团队发表了第一张岩石系外行星的地图,这就是55 Cancri e。"

2016年的研究结果已经暗示了巨蟹座55附近可能存在大气层。在本次研究中,Demory对JWST数据集进行了独立分析。他解释说"JWST在红外波段对这一图景进行了补充,显示出超级地球55 Cancri e周围可能存在大气层,其成分与一氧化碳或二氧化碳一致"。

超热的超级地球,仍然比预期的更冷

虽然巨蟹座 55 e 的成分与太阳系中的岩石行星相似,但将其描述为"岩石"可能会给人留下错误的印象。这颗行星的轨道离它的恒星如此之近(一个完整的轨道持续 18 个小时,而我们的地球则是 365 天),因此它的表面一定是熔融的--一个深邃的、冒着气泡的岩浆海洋。在如此紧密的轨道上,这颗行星也很可能被潮汐锁定,白天始终面向恒星,而夜晚则永远处于黑暗之中。胡解释说:"这颗行星温度很高,一些熔岩应该会蒸发掉。"

虽然 JWST 无法捕捉到巨蟹座 55 的直接图像,但它可以测量该行星绕恒星运行时来自该系统的光线的微妙变化。研究小组利用 JWST 的 NIRCam(近红外相机)和 MIRI(中红外仪器)测量了来自该行星的红外光。通过将行星位于恒星后方的二次日食期间的亮度(仅恒星光)减去行星位于恒星旁边时的亮度(恒星和行星发出的光总和),研究小组能够同时计算出来自行星日侧多个波长的红外光量。

根据热辐射或以红外光形式散发的热能进行的温度测量,首次显示出坎昆里55号可能有大量大气层。如果这颗行星被黑暗的熔岩覆盖,只有一层薄薄的蒸发岩层,或者根本没有大气层,那么它的日面温度应该在 2200摄氏度左右。

胡仁宇说:"相反,MIRI数据显示的温度相对较低,约为1500摄氏度。这非常有力地表明,能量正在从白天向夜晚分布,很可能是通过富含挥发性物质的大气层。虽然熔岩流可以将一些热量带到夜侧,但它们无法有效地将热量转移到夜侧,因此无法解释冷却效应。事实上,即使热量在地球上均匀分布,白天看起来也要比白天低几百度。如果地表发出的部分红外光被大气层吸收,永远无法到达望远镜,那么这种情况就说得通了。"

气泡岩浆海洋

研究小组认为,覆盖在巨蟹座 55 上的气体是从内部冒出来的。由于恒星的高温和强烈辐射,原生大气早已消失。这将是由岩浆海洋不断补充的次级大气。岩浆不仅仅是晶体和液态岩石,其中还有大量溶解气体。

虽然巨蟹座 55 太热,不适合居住,但它可以为研究岩质行星的大气、表面和内部之间的相互作用提供一个独特的窗口,或许还能为早期的地球、金星和火星提供启示,因为人们认为它们在很久以前就已经被岩浆海洋所覆盖。归根结底,我们希望了解是什么条件使岩质行星能够维持富含气体的大气层:这是宜居行星的关键要素。

编译来源:ScitechDaily

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