詹姆斯·韦伯在距离地球 48 光年的系外行星上发现了大气层的迹象

詹姆斯·韦伯太空望远镜捕获了系外行星 LHS 1140 b 存在大气层的初步证据，该行星位于距离地球 48 光年的鲸鱼座。 2023 年 12 月进行的观测利用行星两次经过其主恒星前方来分析大气成分。这颗行星绕红矮星运行，位于宜居带内，该区域的温度允许存在液态水。

行星的初步发现和重新分类

LHS 1140 b 于 2017 年被 MEarth-South 项目发现，当时天文学家将其归类为岩石超级地球。 2023 年进行的更精确的测量极大地改变了这种认识。这颗行星的半径约为地球的 1.73 倍，质量约为地球的 5.6 倍，其密度低于纯岩石体的预期密度。这一特征使得研究人员估计其质量的 9% 到 19% 可能是由水组成的，这表明世界上有丰富的海洋。

地球的重新分类开辟了新的科学可能性。 LHS 1140 b 可能不是一个干燥、多岩石的世界，而是一个具有潜在宜居特征的世界海洋。这种对地球认识的转变表明，更精细的观察如何揭示以前研究中看不见的细节。

主星特征和行星轨道

LHS 1140 恒星是一颗红矮星，其质量仅为太阳的 18%，半径为太阳的 21%。它已有超过 50 亿年的历史，恒星活动性较低，降低了可能破坏行星大气层的喷发风险。地球每 24.7 天绕一圈，接收的能量大约是地球从太阳接收的能量的 43%。

• 这颗恒星发出的光度不到太阳光度的 0.4%。
• 该行星的轨道距离约为 0.095 个天文单位。
• 恒星的稳定性有利于大气层数十亿年的保存。

这些条件使 LHS 1140 b 位于理论模型表明水可能以液态存在的区域，使其成为宜居性研究的优先目标。

光谱分析排除纯氢气氛

詹姆斯·韦伯 (James Webb) 使用 NIRISS 仪器进行透射光谱分析，这是一种分析星光在凌日过程中如何被行星大气吸收的技术。两次通过的数据被一起分析，揭示了有关气体成分的信息。结果高度可信地排除了迷你海王星典型的富氢大气层。

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相反，出现了与瑞利散射兼容的信号，瑞利散射是一种与氮等轻分子相关的现象。统计置信度为 2.3 sigma，表明初步但相关的证据。全球气候模型进一步排除了以氢为主的大气层，指出了可能由地球内部地质过程形成的次生大气成分。

冰下的水结构和海洋风光

水在行星质量中所占的比例很高，表明存在着一个复杂的海洋世界。模型表明，其中一些水可能会在地表结冰，形成一层冰，而在压力作用下，下面会存在液态海洋。由于它靠近恒星，这颗行星可能会同步旋转，一侧始终面向恒星，另一侧永远处于黑暗中。

在这种配置中，集中在向阳面的热量可以局部融化冰，在向阳面的中心形成一个被冰包围的圆形海洋。天文学家将这种模式称为“行星眼”。水可能占地球总质量的 19%，被照亮一侧的海洋的尺寸可与地球上最大的海洋相媲美。

• 大气压将有助于在特定区域保持液态。
• 圆形海洋将被大片冰盖包围。
• 内部地质过程可以维持地球上的热活动。

系外行星表征的后续步骤

天文学家计划与詹姆斯·韦伯一起进行额外的观测，以提高检测到的信号的置信度。目标包括确认氮气的存在并寻找其他大气成分，例如二氧化碳或水蒸气。每一次新的观测都有助于完善地球的大气和气候模型。

LHS 1140 b 的案例突显了小型温带系外行星表征方面的进展。该望远镜继续提供数据，使我们能够区分不同类型的世界并评估它们在类似地球条件下的潜力，将这颗系外行星定位为宜居带已知世界中最有希望进行宜居性研究的候选者之一。