太空望远镜揭示了35光年外有岩浆海洋和硫磺大气的系外行星

一个国际天文学家小组在太阳系外的一个天体上发现了前所未有的大气和表面特征。最近的观察表明，这是一个极端的环境，以活跃的火山活动和温度为主，使得任何已知的生命形式都不可能存在。这项研究的目标是一颗名为 L 98-59 d 的系外行星，它绕着飞鱼座的一颗红矮星运行。

高精度仪器捕获的数据显示，这颗行星的表面已完全融化，形成了广阔而深邃的岩浆海洋。热测量表明，地球白天的温度超过了 1,500 摄氏度。这种极端高温可防止地幔凝固，从而创造出动态且连续的地质环境。

详细的光谱分析使科学家能够准确地描绘当地的情况。在最相关的发现中，有关行星系统的以下几点尤为突出：

– 该系统与地球的确切距离为35光年，这使得它在天文学上是一个相对较近的宇宙邻居。

– 主恒星是一颗红矮星，这是一种比太阳更小、温度更低的恒星类型，但以其高磁性活动而闻名。

– 该行星的大气层稠密，主要由重元素组成，几乎完全不含原始氢和氦。

密度异常和结构成分

L 98-59 d 的物理测量为行星形成模型提供了一个有趣的场景。这颗系外行星的半径约为地球半径的 1.6 倍，因此最初将其归入超级地球类别。然而，它的质量并不线性遵循这个比例，导致计算得出的平均密度仅为 2.2 克/立方厘米。

对于岩石行星来说，这种异常低的密度表明其体积的很大一部分是由挥发性物质的包层组成的。研究人员确定，内部结构不能用纯铁核和硅酸盐地幔来解释。厚厚的大气层和热膨胀的岩浆海洋的存在是对观测到的体积相对于天体总质量的最一致的物理解释。

潮汐加热机制

L 98-59 d 表面的极端高温熔化的主要来源不仅仅是来自其主星的辐射。该行星的轨道非常接近红矮星，导致了强烈的引力相互作用。这种接近会产生巨大的潮汐力，当行星沿着轨道运行时，这些潮汐力会物理扭曲行星的结构。

除了恒星吸引力之外，L 98-59 d 还与同一系统中的其他行星处于轨道共振配置。这种复杂的引力舞蹈阻止了行星轨道变成完美的圆形。持续的轨道偏心率迫使行星内部反复收缩和膨胀，产生巨大的内摩擦。

这种机械过程在天体物理学中被称为潮汐加热，与木星卫星木卫一上引发极端火山活动的现象相同。就 L 98-59 d 而言，加热规模要大几个数量级，提供了在全球范围内保持岩石处于液态并为不间断的火山活动提供燃料所需的热能。

含硫气氛的化学特征

L 98-59 d大气的观测需要应用透射光谱技术。当行星经过其恒星前方时，一小部分星光会穿过行星的气体层，然后到达地球上的望远镜。不同的分子吸收特定波长的光，在捕获的光谱中留下独特的化学特征。

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数据显示在与硫基化合物相对应的波长处有强吸收。大量二氧化硫和硫化氢的检测证实了该行星的火山性质。暴露在地表的岩浆不断释放这些气体，补充大气层，并在熔岩海洋和气体包层之间形成封闭的化学循环。

丰富硫磺的存在也表明，地球的原始大气在数十亿年来已经完全改变。来自红矮星的紫外线辐射可能在系统早期分解了水分子和其他较轻的化合物。由此产生的氢逃逸到太空中，留下了现在主导大气化学的重元素。

这种富含硫的成分充当额外的热毯。火山气体具有很强的保留红外辐射的能力，产生极端的温室效应，有助于将表面温度维持在玄武岩熔点以上。

天文观测的演变

L 98-59 系统的初步识别发生在 2019 年，通过 TESS 卫星收集的数据。卫星使用的凌日方法使得能够检测到恒星亮度的周期性下降，从而证实了轨道上存在多颗行星。当时，天文学家能够计算出天体的大小和轨道周期，但其大气层的确切性质仍然超出了技术范围。

配备大直径反射镜、在红外光谱范围内运行的新一代太空望远镜的投入运行改变了这种情况。将恒星的光与行星自身的热发射分开的能力使得现在公开的详细特征得以实现。这一仪器突破对于区分贫瘠的岩石行星和具有活跃火山活动和次生大气的动态世界至关重要。

水形成和损失的动态

L 98-59 d 的地质历史提供了红矮星周围行星演化的经验数据。理论模型表明，在其形成后的最初一亿年里，主星经历了一个极端活动的阶段，释放出极高水平的高能辐射和强烈的星风。如果在此期间行星表面存在液态水海洋，那么恒星能量将导致这些水完全蒸发。高层大气中水蒸气分子的光解将氧气与氢气分离。由于行星的相对重力较低，氢气流失到太空真空中，表面完全干燥。剩余的氧气与地壳中的矿物质以及从地幔中排出的硫发生反应，形成二氧化硫化合物，这些化合物构成了天文学家今天观察到的厚气层。

一个新的行星类别

L 98-59 d的独特特征迫使科学界建立新的天体分类。这颗行星不符合传统的致密岩石超级地球模型，也不符合具有厚厚氢大气层的迷你海王星。具有全球岩浆海洋的硫世界的定义为银河系中的行星多样性创建了一个新参数。

系外行星探索的未来

一颗距离恒星如此之近的行星上存在富含硫的大气层，这证明了气体包层在极端辐射条件下的弹性。持续的火山活动是抵御恒星风引起的大气侵蚀的防御机制。只要行星还有内部能量来维持熔化的地幔，火山气体的排放就会不断地替代流失到太空中的大气层。

对这个恒星系统的研究将继续成为天体物理学的优先目标。对 L 98-59 d 的持续观测将使我们能够完善岩浆海洋中的流体动力学模型，并更好地了解硫化学在极端温度下如何运作。绘制红矮星周围的其他系统将试图确定硫世界是一个孤立的异常现象还是遭受强烈潮汐加热的行星的共同演化阶段。