研究人員使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡研究了Trappist-1 b，發現它可能具有易揮發的表面，並且可能有大氣層，儘管之前人們認為它是一顆沒有大氣層的深色岩石天體。初步觀察顯示它沒有大氣層，但進一步分析表明它有可能存在厚厚的二氧化碳大氣層，受到與土星衛星泰坦類似的碳氫化合物霧霾的影響。計劃進行更多廣泛的研究以證實這些發現。

這是Trappist-1 b 經過寒冷的紅矮星Trappist-1 後方前不久的藝術效果圖。此類恆星以大型星斑和噴發活動而聞名。 Trappist-1 b 可能會經歷劇烈的火山活動。圖片來源：Thomas Müller (HdA/MPIA)

Trappist-1 b 是圍繞恆星Trappist-1 運行的七顆岩石行星之一，距離地球40 光年。這個行星系統之所以引人注目，是因為它為天文學家提供了近距離研究多顆類地行星的難得機會。其中三顆行星位於“宜居帶”，即表面可能存在液態水。到目前為止，已有十個研究計畫使用詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST) 觀測了該系統，總共290 小時。

最新研究由海德堡馬克斯·普朗克天文研究所(MPIA) 的研究人員參與，由法國巴黎原子能委員會(CEA) 的Elsa Ducrot 領導。該團隊使用JWST 的中紅外線成像儀(MIRI) 測量了Trappist-1 b 的熱紅外線輻射（本質上是它的熱特徵）。這項研究結果現已發表在《自然天文學》雜誌上，以去年的研究為基礎，該研究將Trappist-1 b 描述為一顆黑暗的岩石行星，沒有可探測到的大氣層。

「然而，岩石行星表面風化嚴重且沒有大氣層的設想與目前的測量結果不一致，」MPIA 天文學家Jeroen Bouwman 說道，他共同負責了該觀測項目。 「因此，我們認為行星被相對不變的物質覆蓋。」通常，表面會受到中心恆星輻射和隕石撞擊的風化。然而，結果表明，表面岩石的年齡最多約為1000 年，比行星本身的年齡要小得多，後者估計可追溯到數十億年前。

這可能表示該行星的地殼正在發生劇烈變化，這可以用極端火山活動或板塊構造來解釋。即使這種情況目前仍是假設的，但它仍然是合理的。這顆行星足夠大，其內部可能保留了形成時的餘熱——就像地球一樣。中心恆星和其他行星的潮汐效應也可能使Trappist-1 b 變形，從而產生內部摩擦產生熱量——類似於我們在木星的衛星Io 中看到的情況。此外，附近恆星的磁場感應加熱也是可以想像的。

「數據還允許完全不同的解決方案，」MPIA 名譽主任Thomas Henning 說。他是MIRI 儀器的主要設計者之一。 「與先前的想法相反，在某些情況下，該行星可能會擁有富含二氧化碳(CO2) 的厚厚大氣層，」他補充道。在這種情況下，碳氫化合物產生的霧霾，即高層大氣中的煙霧，起著關鍵作用。

這兩個觀測項目在目前研究中相互補充，旨在測量Trappist-1 b 在熱紅外線範圍（12.8 和15 微米）不同波長下的亮度。第一次觀測對行星紅外線輻射被一層二氧化碳吸收很敏感。然而，沒有測量到任何變暗，這讓研究人員得出結論，這顆行星沒有大氣層。

研究小組進行了模型計算，結果顯示霧霾可以逆轉富含二氧化碳的大氣層的溫度分層。通常，由於氣壓較高，較低的地面層比上層更溫暖。當霧霾吸收星光並變暖時，它會在溫室效應的作用下加熱上層大氣。結果，那裡的二氧化碳本身會發出紅外線輻射。

我們在土星的衛星土衛六上也看到了類似的情況。它的霧霾層很可能是在太陽紫外線(UV) 輻射的影響下形成的，紫外線來自大氣中富含碳的氣體。特拉普斯特-1 b 上也可能發生類似的過程，因為它的恆星會發出大量的紫外線輻射。

即使數據符合這個假設，天文學家仍然認為這種可能性較小。一方面，從富含二氧化碳的大氣中產生形成霧霾的碳氫化合物會更加困難，但並非不可能。然而，土衛六的大氣主要由甲烷組成。另一方面，問題仍然是活躍的紅矮星（包括Trappist-1）產生的輻射和風很容易在數十億年內侵蝕附近行星的大氣層。

Trappist-1 b 是一個生動的例子，說明目前探測和確定岩石行星的大氣層有多麼困難——即使對於JWST 來說也是如此。與氣體行星相比，它們很薄，只能產生微弱的可測量特徵。對Trappist-1 b 的兩次研究提供了兩個波長的亮度值，持續了近48 小時，這不足以毫無疑問地確定該行星是否有大氣層。

觀測利用了行星平面相對於我們視線到Trappist-1 的輕微傾斜。這種方向導致七顆行星在每次軌道運行期間從恆星前面經過並略微變暗。因此，這可以透過多種方式了解行星的性質和大氣。

所謂的凌日光譜法已被證明是一種可靠的方法。這涉及根據波長測量恆星被其行星變暗的情況。除了不透明行星體的掩星（天文學家據此確定行星的大小）之外，大氣氣體還會吸收特定波長的星光。由此，他們可以推論行星是否有大氣層、大氣層是由什麼組成。不幸的是，這種方法有缺點，尤其是像Trappist-1 這樣的行星系統。涼爽的紅矮星通常會出現大的星斑和強烈的噴發，嚴重影響測量。

天文學家在很大程度上規避了這個問題，而是透過觀察恆星在熱紅外光中加熱的系外行星的一側，就像目前對Trappist-1 b 的研究一樣。在行星消失在恆星後面之前和之後，明亮的白天一側特別容易看到。行星釋放的紅外線輻射包含有關其表面和大氣的信息。然而，這種觀察比凌日光譜更耗時。

鑑於這些所謂的二次日食測量的潛力，NASA 最近批准了一項廣泛的觀測計劃，以研究附近低質量恆星周圍的岩石行星的大氣層。這個非凡的計劃，即“岩石世界”，包括使用JWST 進行500 小時的觀測。

研究小組希望能夠使用另一種觀察方式來獲得明確的確認。它記錄了行星繞恆星的完整軌道，包括從經過恆星前方的黑暗夜側到被恆星遮擋前後不久的明亮日側的所有照明階段。這種方法將使團隊能夠創建一個所謂的相位曲線，指示行星沿其軌道的亮度變化。因此，天文學家可以推論出行星表面的溫度分佈。

該團隊已經使用Trappist-1 b 進行了這種測量。透過分析行星上的熱量分佈情況，他們可以推斷出大氣層的存在。這是因為大氣層有助於將熱量從日側傳輸到夜側。如果溫度在兩側過渡時突然變化，則表示沒有大氣層。

編譯自/ scitechdaily