韦伯望远镜发现类似水星的黑暗无气超级地球

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一颗炽热的系外行星被发现是一个黑暗、无大气的世界，其表面与地球不同。它没有活跃的地质活动，反而可能覆盖着风化的岩石和尘埃，类似于水星。（艺术家概念图）来源：SciTechDaily

一颗邻近的超级地球让科学家们难得一见了一颗遥远星球的裸露表面，而且它一点也不像地球。

利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）上的中红外仪器（MIRI），科学家们对一颗名为LHS3844b的遥远岩石行星表面进行了更细致的观测。该研究团队由前马克斯普朗克天文研究所（德国海德堡）博士生塞巴斯蒂安齐巴（美国剑桥哈佛史密森尼天体物理中心）与马克斯普朗克天文研究所所长、研究首席研究员劳拉克赖德伯格共同领导。这项研究没有只关注大气，而是推进到了一个新的研究领域——探索太阳系外行星的地质情况。研究结果发表在《自然天文学》期刊上。

一颗炎热、潮汐锁定且无大气层的超级地球

LHS3844b是一颗岩石行星，比地球大约30%。它绕一颗寒冷的红矮星运行的速度极快，大约11小时就能完成一圈轨道运行。这颗行星离它的恒星非常近，距离仅为三个恒星直径。由于这种紧密的轨道，它被潮汐锁定了。一面始终朝向恒星，另一面则一直处于黑暗之中。

其昼侧温度极高，约达1000开尔文（相当于725摄氏度或1340华氏度）。该系统距离相对较近，为48.5光年（14.9秒差距）。

多亏了JWST惊人的灵敏度，我们能够探测到来自这颗遥远岩石行星表面的直接光线。我们看到的是一块黑暗、炽热、贫瘠的岩石，没有任何大气层，马克斯普朗克天文研究所的劳拉克赖德伯格说。

这张水星的高分辨率照片可能与岩石系外行星LHS3844b相似。JWST的观测结果表明，这是一颗无大气层的岩石行星，表面呈深色、类似玄武岩，可能因辐射和陨石撞击而经历了空间风化。图片来源：美国国家航空航天局约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室卡内基科学研究所

科学家们是如何测量行星表面的

这颗行星的暗外观表明它可能类似月球或水星的放大版。研究人员通过分析来自该行星炎热昼侧的红外辐射得出了这一结论。由于无法直接拍摄这颗行星的图像，科学家们转而追踪它绕恒星运行时恒星与行星组合亮度的细微变化。

MIRI测量了5到12微米之间的红外光，并将其分成更小的波长范围。这产生了一个光谱，该光谱显示了光在不同波长上的分布情况。来自斯皮策太空望远镜的先前数据集也被纳入，以增强结果的可信度。

排除类地地壳

为了解释这些数据，研究团队将观测到的光谱与基于地球、月球和火星已知岩石和矿物的模型进行了对比。这种方法使他们能够在LHS3844b的极端条件下测试不同的可能表面成分。

结果排除了存在类似地壳的表面，地壳通常富含花岗岩等硅酸盐矿物。虽然这可能并不令人意外，因为地球在这方面是独特的，但它仍然为了解该行星的历史提供了线索。在地球上，这类地壳通过板块构造活动长期形成，且通常需要水。与地幔物质的反复熔融和混合会逐渐产生较轻的矿物，这些矿物会上升到表面。

塞巴斯蒂安齐巴表示：由于LHS3844b缺乏这样的硅酸盐地壳，人们可以得出结论，类地板块构造不适用于这颗行星，或者说其板块构造无效。这颗行星可能只含有少量水。

LHS3844b炎热昼侧的红外光谱是通过不同波长下其与宿主恒星的亮度对比度（单位为ppm，即百万分之一0.0001%）得出的。从詹姆斯韦布和斯皮策太空望远镜获得的观测数据（圆圈和方块）与地幔（橙色实线）或熔岩（蓝色虚线）相符，而排除了类地地壳（绿色点划线）的可能性。来源：塞巴斯蒂安齐巴等人马克斯普朗克天文研究所

玄武岩富集表面的证据

数据表明，该表面并非由类花岗岩物质主导，而是以玄武岩或地幔衍生岩石为主，类似于在地球或月球上发现的火山物质。研究人员对观测到的光谱与不同矿物组合进行了详细的统计对比。

他们发现大面积的固体玄武岩或岩浆岩最符合。这些材料富含镁和铁，可能包含橄榄石等矿物。岩石或砾石等较粗的材料也与数据相当吻合。仅细粉尘或粉末则不太符合，因为它们看起来会更亮。

空间风化塑造表面

没有大气层的行星会完全暴露在其恒星的辐射和流星体的持续撞击下。这些过程会逐渐分解地表岩石。

事实证明，这些过程不仅会缓慢地将坚硬的岩石分解成风化层——一种像月球上那样的细颗粒或粉末层，齐巴解释道。它们还会通过添加铁和碳使该层变暗，从而使风化层的特性与观测结果更一致。

两种可能的表面场景

基于这些数据，科学家们对这颗行星的表面提出了两种可能的解释。一种可能性是它覆盖着相对新鲜的固态玄武岩。这表明存在近期的地质活动，例如广泛的火山活动。

第二种可能性是表面在漫长时间里被空间风化作用塑造而成。在这种情况下，大片区域会被变暗的表岩屑覆盖，类似于月球或水星上看到的布满尘埃的表面。这种情形表明这是一颗长期处于不活跃状态的行星。

没有活跃火山活动的证据

这些场景之间的一个关键区别在于行星是否仍然具有地质活动性。活跃的行星通常会通过火山活动释放气体。一个重要的例子是二氧化硫（SO₂），它通常与火山活动有关。

如果LHS3844b上存在此类活动，MIRI本应检测到这种气体。然而，并未发现任何痕迹。这使得近期火山活动的可能性不大，并支持该行星表面古老且已风化的观点。如果是这样，LHS3844b可能与水星非常相似。

未来JWST的观测将完善这一图景

为了更好地了解该表面，研究团队正在进行更多的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）观测。这些新的测量将研究光线在不同角度下的发射和反射情况，这取决于表面的纹理。

粗糙表面和光滑岩石反射光线的方式不同，这使得科学家能够区分固体板块和松散物质。这种技术已被成功用于研究太阳系中的小行星。

我们相信，同样的技术将使我们能够阐明LHS3844b行星地壳的性质，并且在未来，还能阐明其他岩质系外行星的性质，克赖德伯格总结道。

劳拉克赖德伯格是参与这项研究的唯一一位马克斯普朗克天文研究所（MPIA）的天文学家。

其他研究人员包括：塞巴斯蒂安齐巴（哈佛史密森尼天体物理中心，美国剑桥）、布兰登P科伊（芝加哥大学地球物理科学系，美国）、艾伦贝洛阿鲁费（加州理工学院喷气推进实验室，美国帕萨迪纳[JPL]）、金伯利帕拉加斯（加州理工学院地质与行星科学系，美国帕萨迪纳）、吕欣桐（北京大学，北京）、胡任宇（宾夕法尼亚州立大学，美国大学公园及JPL）、艾什瓦尔雅艾耶（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心，美国格林贝尔特）、凯沃尔法斯（多特蒙德工业大学，德国）

本研究中使用的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）观测是作为GO项目#1846（项目负责人胡任宇）的一部分进行的，该项目标题为《寻找热岩质系外行星LHS3844b上的火山活动和地球动力学特征》。

MIRI联盟由欧洲空间局（ESA）成员国组成：比利时、丹麦、法国、德国、爱尔兰、荷兰、西班牙、瑞典、瑞士和英国。各国科学机构为联盟的工作提供资金——在德国，是马克斯普朗克学会（MPG）和德国航空航天中心（DLR）。参与的德国机构包括海德堡的马克斯普朗克天文研究所、科隆大学以及奥伯科亨的亨索尔特股份公司（前卡尔蔡司光电子公司）。

詹姆斯韦伯太空望远镜是世界领先的太空研究天文台。它是由美国国家航空航天局（NASA）及其合作伙伴欧洲空间局（ESA）和加拿大空间局（CSA）领导的国际项目。

斯皮策太空望远镜曾由加州理工学院喷气推进实验室根据与美国国家航空航天局（NASA）的合同运营。

相关知识

水星是太阳系八大行星中离太阳最近的行星，体积和质量均为八大行星里最小。它无明显大气层，表面遍布陨石坑，昼夜温差极大——白天温度可达430℃，夜晚骤降至170℃左右。水星公转周期约88天，自转周期约59天，是太阳系中公转速度最快的行星之一。

BY: Max Planck Institute for Astronomy

FY: AI

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