天文學家使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡（JWST），首次探測到太陽系外一顆岩石行星的大氣層富含二氧化碳或一氧化碳。儘管該行星可能被岩漿海洋覆蓋，無法維持生命，但對其研究可增進對地球早期歷史的了解。相關論文5月8日發表於《自然》。

這幅藝術家的概念圖展示了系外行星55 Cancri e 的模樣。巨蟹座55號也被稱為”楊森”，是一顆所謂的超級地球，是一顆比地球大得多但比海王星小得多的岩質行星，它繞恆星運行的距離只有140萬英里（0.015個天文單位），不到18小時就能完成一個完整的軌道運行（水星距離太陽的距離是巨蟹座55號的25倍）。 (水星與太陽的距離是巨蟹座55 號與其恆星距離的25 倍）該系統還包括四顆大型氣體巨行星，位於巨蟹座，距離地球約41 光年。資料來源：NASA、ESA、CSA、拉爾夫-克勞福德（STScI）

沒有參與這項研究的美國麻省理工學院的行星科學家Sara Seager說，在類地行星周圍發現大氣層是系外行星研究的重要里程碑。地球稀薄的大氣層對維持生命至關重要，能夠發現類似類地行星上的大氣層是尋找太陽係以外生命的重要一步。

JWST探測到的這顆行星名為55 Cancri e，它圍繞著一顆12.6秒差距的類太陽恆星運行，被認為是一個超級地球。這顆比地球稍大的類地行星，半徑約為地球的兩倍，重量是地球的8倍多，大氣層厚度約為地球半徑的百分之幾。

這條光變曲線顯示了巨蟹座55 星系中的岩石行星55 Cancri e（巨蟹座55 星系中已知的五顆行星中距離恆星最近的一顆）移動到恆星背後時，巨蟹座55 星系亮度的變化。這種現象稱為”次食”。當行星在恆星旁邊時，恆星和行星日面發出的中紅外光都能到達望遠鏡，因此系統看起來更亮。當行星位於恆星後方時，行星發出的光被擋住，只有星光到達望遠鏡，導致視亮度降低。天文學家可以從恆星和行星的亮度總和中減去恆星的亮度，從而計算出有多少紅外光來自行星的日側。然後用它來計算日側溫度，推論行星是否有大氣層。根據此觀測結果計算出的行星溫度約為1,800 開爾文（約2,800 華氏度），大大低於行星沒有大氣層或只有稀薄岩石蒸汽大氣層的預期溫度。這種相對較低的溫度表明，熱量正在從行星的白天向夜晚散發，這可能是由富含揮發性物質的大氣層造成的。資料來源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）、Aaron Bello-Arufe（NASA-JPL）

55 Cancri e不適合居住的另一個原因是它離恆星很近－大約是地球到太陽距離的1/65。然而，美國噴射推進實驗室（JPL）的天文物理學家、論文合著者Aaron Bello Arufe說，它可能是研究最多的岩石行星。它對於岩石行星來說大得多，所以比太陽系外其他行星更容易研究。

55 Cancri e經過了充分的研究，JWST於2021年12月發射後，工程師將天文台的紅外光譜儀指向它進行測試。這些儀器可以偵測行星周圍氣體吸收星光紅外線波長時的化學指紋。 Bello-Arufe和同事隨後決定進行更深入地挖掘，以確認這顆行星是否有大氣層。

在最近的觀測之前，天文學家已經無數次改變對55 Cancrie的看法。這顆行星於2004年被發現。起初，研究人員認為它可能是一個類似木星的氣態巨星的核心。但在2011年，史匹哲太空望遠鏡在這顆行星從其恆星前方經過時對其進行了觀測發現，55 Cancri e實際上比一顆氣態巨星小得多，密度也大得多，是一顆岩石超級地球。

幾年後，研究人員注意到，對於一顆離其恆星如此之近的行星來說，55 Cancri e的溫度比它應有的溫度低，這表明它可能有大氣層。一種假設是，這顆行星是一個被超臨界水分子包圍的「水世界」；另一個假設是，它被一個主要由氫和氦組成的膨脹的原始大氣所包圍。但這些想法最終都被推翻了。

韋伯望遠鏡的近紅外線相機（NIRCam）和中紅外線探測器（MIRI）分別於2022年11月和2023年3月捕捉到的熱輻射光譜顯示了超地外行星55 Cancri e發出的不同波長紅外光（ x軸）的亮度（y軸）。
該圖將NIRCam（橙色點）和MIRI（紫色點）收集到的數據與兩種不同的模型進行了比較。模型A（紅色）顯示如果巨蟹座55 的大氣層是由氣化岩石構成的，那麼它的發射光譜應該是什麼樣的。模型B（藍色）顯示的是如果這顆行星的大氣層是由岩漿海洋排出的富含揮發性物質的大氣層，而岩漿海洋的揮發性物質含量與地球地函相似，那麼它的發射光譜應該是什麼樣的。 MIRI 和NIRCam 的數據與富含揮發性物質的模型一致。這顆行星發射的中紅外光量（中紅外線成像儀）表明，它的日側溫度明顯低於沒有大氣層將熱量從日側傳到夜側時的溫度。 4到5微米之間光譜的衰減（NIRCam數據）可以解釋為大氣中的一氧化碳或二氧化碳分子對這些波長的吸收。資料來源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）、Renyu Hu（NASA-JPL）、Aaron Bello-Arufe（NASA-JPL）、Michael Zhang（芝加哥大學）、Mantas Zilinskas（SRON）

JPL的行星科學家、論文合著者胡仁宇（音）說，一顆離恆星如此之近的行星會受到恆星風的轟擊，很難抓住大氣層中的揮發性分子。這有兩種可能性，首先，這顆行星是完全乾燥的，有一層由蒸發岩石組成的超薄大氣層；其次，它有一個由較重的揮發性分子組成的厚厚的大氣層，這些分子不容易流失。

最新數據表明，55 Cancri e的大氣中含有碳基氣體，這指向了第二種可能。 Seager說，團隊收集了大氣層的真實證據，但還需要進行更多觀測來確定其完整成分、存在氣體的相對數量及其精確厚度。

美國史丹佛大學的行星地質學家Laura Schaefer有興趣了解55 Cancri e的大氣層如何與行星表面下的物質相互作用。他說，大氣仍有可能被恆星風侵蝕，但岩漿海洋中岩石的融化和釋放可能會補充氣體。

“地球可能至少經歷了一個岩漿-海洋階段，也許是幾個。”Schaefer說，“擁有岩漿海洋的實際例子可以幫助我們了解太陽系的早期歷史。”

相關論文資訊：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07432-x