地球2.0？韦伯望远镜发现了一颗大小是地球的99%系外行星

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詹姆斯韦伯太空望远镜（以下简称JWST） 前不久发现了它的第一颗凌日系外行星，它的大小是地球的 99%。但遗憾的是根据光谱研究人员推断出这颗系外行星没有大气层。

（图片来源：NASA、ESA、CSA、Leah Hustak (STScI) ）

此图显示了 JWST 发现的第一颗地球大小的行星：LHS 475 b。虽然它的大小是地球的 99%，但凌日光谱未能揭示任何大气层的迹象，这让许多人担心地球大小的行星 JWST 对根本没有大气层很敏感。

关键要点

• 对于新望远镜来说，这是一个非凡的“第一次”，JWST 探测到一颗系外行星在其主恒星前凌日。
• 它被称为 LHS 475 b，大小与地球相当，它以非常快速地绕着它的冷红矮星运行。
• 尽管 JWST 具有令人难以置信的性能和敏感性，但在凌日过程中没有发现任何大气层。

对于我们中的许多人来说，当我们将目光转向天空时，我们想象的远不止星星、星系和分隔它们的广阔空间。相反，我们将思想转向围绕每一颗恒星运行的世界：拥有丰富卫星系统的大质量气态巨行星，具有固体表面的行星，如地球、金星、火星和水星。宇宙中的每个世界都是独一无二的，有自己的组成、形成历史，以及在那里可能发生什么样的化学甚至生物反应的可能性。

LHS 475 b是詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 首次发现的一颗行星。这颗行星的大小恰好与地球几乎相同，其半径被确定为我们地球的 99%。虽然它在其母星周围的轨道相当近，但因为是红矮星的缘故这颗恒星相比于太阳会凉爽不少。当这颗行星从我们的角度来看意外地与它的母星对齐时，JWST 才有机会观察它——使用凌日光谱技术测量它的大气成分。但它的发现令科学家们感到失望。

（图片来源：Patricia Klein 和 MPIA ）

这位艺术家对一颗热系外行星的印象展示了白天和夜间的温度和亮度差异。当蒸发的挥发物在白天被输送到夜间并凝结时，就会出现夜间云的例子。尝试探测小型岩石世界周围的系外行星大气层是一项非常雄心勃勃的努力。

在宇宙中，行星比恒星多，几乎每颗恒星都包含多个不同大小和轨道距离的行星。当这些行星恰好以行星从恒星正前方经过的方向（从我们的角度来看）绕恒星运行时，恒星的一部分光线被阻挡，导致恒星在这些行星凌日期间暂时变暗。

但是，虽然行星的实心圆盘只是遮挡了撞击它的星光，但行星也可以拥有大气层：对入射星光部分不透明但部分透明。当星光穿过行星大气层时，存在的分子和原子吸收特定波长的光：激发这些原子和分子内电子的波长。因此，当我们通过光谱将接收到的光分解成单独的波长时，我们可以检测吸收线，借助传输光谱技术告诉我们大气中存在什么。

（图片来源：NASA、ESA、CSA 和 STScI）

美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜在一颗围绕着一颗遥远的类太阳恒星的炽热、膨胀的气态巨行星周围的大气中捕捉到了明显的水特征，以及云和雾霾的证据。大而蓬松的行星的系外行星光谱很容易获得，但 JWST 正在追求更小、更深刻的奖品。

除了已知的、已确认的系外行星外，测量开普勒、K2 和 TESS 等行星凌日的任务也产生了数以千计的系外行星候选者：在那里可以看到一次性甚至周期性的变暗，但信号却没有变得足够强大以宣布确定的、确认的检测。其中一颗候选行星被称为 TOI-910.01，这意味着 TESS 卫星看到了与凌日相一致的事件，但 TESS 所看到的不足以宣布真正的发现。它仍然可能是误报。

那是另一个天文台有机会进来寻找确定信号的时候。在这种情况下，JWST 第一次成为那个天文台，检查母星一颗被称为 TOI-910（来自其 TESS 编号）或 LHS 475的行星，并检测到关键的调光效应。尽管只有大约 0.1% 的母星光线被阻挡，但JWST 能够明确地检测到该信号，JWST总共检测到两次持续约 40 分钟的凌日，通过一系列将数据分解为~ 9 秒块。

（图片来源：NASA、ESA、CSA、）

JWST 观测到的系外行星 LHS 475 b 的凌日光变曲线。JWST 很容易看到 0.1% 的通量下降，并且两次凌日仅提供了足够多的数据来将这颗系外行星从“候选行星”转变为已确认的系外行星。

这确实是一个明确的信号。这标志着 JWST 正式发现的第一颗系外行星，它发现的统计数据确实展示了 JWST 在未来进行更多行星发现和行星特征描述的能力。新的系外行星，正式命名为 LHS 475 b，它是：

• 地球半径的 99%，
• 距离我们40.7光年，
• 围绕着一颗中年、不闪耀且亮度稳定的冷红色恒星运行，
• 并且能够通过 JWST 的 NIRSpec 仪器对其进行传输光谱分析。

能够执行传输光谱导致一系列诱人的可能性。当光线穿过行星周围的环状区域时，它可以激发发射和吸收特性，这取决于存在的材料种类及其特性。金星、地球、土卫六和火星——如果它们穿过像 LHS 475 这样的恒星的表面都会导致不同的信号，原则上所有这些信号都会被足够敏感的天文台显示出来。

（图片来源：ESA/David Sing/ PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) 任务）

当星光穿过凌日系外行星的大气层时，会留下签名。根据发射和吸收特征的波长和强度，可以通过传输光谱技术揭示系外行星大气中各种原子和分子物种的存在与否。

金星的大气层云层非常丰富，云层是一种极其不透明的介质，可能与固体行星无法区分。然而，在云层中有裂缝（或不完全覆盖）或在云层上方的大气成分仍然会产生有趣的信号。地球的信号将显示变红以及氧气、氮气和水蒸气的特征，而土卫六的甲烷和雾霾将非常容易看到。然而，火星具有稀薄的二氧化碳大气层和少量氮气，会产生非常小的信号，需要非常长的观测时间和高信噪比。

但是，如果凌日穿过恒星的行星像月球或水星一样根本没有大气层——执行凌日光谱将导致最无聊的光谱：即一个完全平坦的光谱。当 JWST 的 NIRSpec 仪器拍摄 LHS 475 b 的光谱时，这正是它所观察到的：光谱与纯平坦 100% 一致，还有许多其他可能的结果，如富氢或富氮甚至数据不支持富含甲烷的大气层。

（图片来源：NASA、ESA、CSA、）

JWST 的 NIRSpec 仪器观测到的 JWST 发现的第一颗岩石系外行星 LHS 475 b 的透射光谱。大气是否存在并且主要是二氧化碳或不存在尚未确定，但排除了许多类型的大气，例如富含甲烷的大气。

尽管我们希望通过 JWST 发现的地球大小的行星拥有丰富多样的大气层，但这第一个行星却给出了完全相反的结果：如果这是一个完整的大气层，你会得到同样的结果——自由世界，或者只是一个围绕 LHS 475 恒星运行的固体物质球体。观测结果排除了该行星周围可能存在的各种可能的大气层；唯一可能保留下来的现实大气层是类似火星的大气层，稀薄且主要是二氧化碳。

从技术上讲，这是一个非常好的结果。在 JWST 之前，只有大型巨型行星——实际上保证周围有大量气体的行星——才有可能对其进行凌日光谱分析。JWST 令人难以置信的原始特性使我们能够从木星大小的世界一路走到地球大小的世界，以寻求测量系外行星大气层的含量，并成功地做到了这一点。JWST 发现的第一颗行星碰巧没有大气层，这既不是望远镜的错，也不是研究人员的错。

（图片来源：JAXA/NASA/ Hinode（上）；NASA/TRACE（下））

金星（上）和水星（下）凌日穿过太阳边缘。请注意金星的大气层如何衍射其周围的阳光，而水星缺乏大气层则没有这种影响。像水星这样没有空气的行星将具有完全平坦的凌日光谱，而像金星这样的行星将表现出吸收和/或发射特征。

值得考虑的最乐观的可能性是，这颗新发现的行星 LHS 475 b 确实拥有大气层，JWST 将能够探测到它。它能够获得的光谱只能在行星凌日的短暂时刻获得，而两次凌日大约需要 40 分钟，这根本不是很长的时间来获取所需的信号。在获取这些数据时，JWST 还没有看到它的本底噪声出现，因此从随后观察到的凌日现象中获取更多数据可能会揭示一种大气层，即使是几乎完全是二氧化碳的大气层也可能会革命性地告知我们对行星的理解。

（图片来源： Engelmann -Suissa 等人/美国宇航局戈达德太空飞行中心）

在错误的气氛下，比如以二氧化碳为主的气氛，热量会均匀地传输到 TOI-700d 的各个角落，严重不利于它的生存。但是在 CO2 大气层中，JWST 可以使用传输光谱技术看到和探测到红矮星周围的系外行星。

不太乐观的是，这颗特殊的系外行星可能没有大气层，但那里有许多甚至大部分地球大小的世界——其中大部分将在低质量红矮星周围被发现-。在这种情况下，LHS 475 b 没有大气层的原因类似于水星没有大气层的原因：因为这颗行星离母星太近，质量太低，加起来，数十亿年后无法保留大气层被它所环绕的恒星发出的辐射和风粒子轰击。

我们有充分的理由期望类日恒星周围的地球大小的行星应该能够产生并维持大气层，但在红矮星周围是否也有可能存在一个巨大的问题。红矮星——通常低于太阳质量 40% 的 M 级恒星——往往会快速旋转、频繁闪耀，并且不可避免地会潮汐锁定任何位于恒星所谓恒星内部或内部的行星。宜居地带。这些是宇宙中的大多数恒星，拥有银河系和宇宙中大多数地球大小的行星，这些条件确实很恶劣。

（图片来源：NASA/GSFC ）

地球（右）有一个强大的磁场来保护它免受太阳风的影响。像火星（左）或月球这样的世界不会，并且经常会被太阳发射的高能粒子撞击，这些粒子会继续从这些世界中剥离空气中的粒子。红矮星周围的耀斑比类太阳恒星周围的耀斑更为常见，而且还不清楚，尤其是距离如此之近的行星，围绕红矮星运行的岩石行星上的大气是否能够持续存在。

不幸的是，这就是为什么噩梦般的场景如此可怕地可能发生的原因。尽管 JWST 很棒，但它的功能仍然有限。它能够探测到穿过红矮星等小恒星表面的地球大小的行星，因为行星阻挡了恒星光线的很大一部分：大约 0.1%。但是如果恒星更大——类太阳恒星更大——那么地球大小的行星阻挡的光的比例就会低得多，JWST 将无法解析阻挡约 0.01% 的光的行星。他们的星光或更少。JWST 看不到太阳大小恒星周围的地球大小行星。

因此，存在这种可怕的可能性，尽管 JWST 拥有出色的仪器，但它可能被迫只在红矮星周围和相对紧凑的轨道上观察地球大小的世界，而这些行星可能几乎都是没有空气的世界。目前尚不清楚一颗距离红矮星相对较近的地球大小的行星能否在被潮汐锁定并不断受到红矮星风和辐射的轰击的同时保持大气层。

换句话说，JWST 唯一能够成功进行凌日光谱分析的岩石行星可能属于同一类别：温暖、围绕红矮星、潮汐锁定、完全没有空气。在这种噩梦般的场景中，JWST 永远无法成功探测到地球大小行星的大气层。

TRAPPIST-1 系统包含目前已知的任何恒星系统中最像类地行星的行星，并且显示出与我们自己的太阳系相当的温度比例。然而，这七个已知世界存在于一颗低质量、持续燃烧的红矮星周围。尽管 JWST 肯定会检查，但它们中没有一个已经有大气层了，这似乎是合理的。

幸运的是，我们仍处于地球大小世界的凌日光谱科学的最初阶段。许多围绕红矮星凌日的系外行星都很冷而且距离很远，所以对热行星来说是真实的，但较冷的行星可能仍然拥有大气层。JWST 的本底噪声有足够的低，以至于我们可以对太阳质量为 0.4-0.6 的恒星周围的地球大小的行星进行凌日光谱分析，这些恒星更像太阳而不像红矮星。很可能一些红矮星——甚至可能包括 LHS 475表现得足够好，它们不会完全剥夺任何行星大气层。

当你只观察一个物体时，总是很难得出一般性结论，而 LHS 475 b 只是第一个发现并使用 JWST 的 NIRSpec 仪器通过凌日光谱测量的地球大小的行星。鉴于它是一颗围绕着一颗低质量红矮星的炽热行星，我们看不到大气层也就不足为奇了。但是，JWST 没有能力探测地球大小行星周围大气的“最佳点”，它可能只能测量根本没有大气层的地球大小行星周围的大气。这完全取决于宇宙提供给我们的东西：在我们拥有更大的传输光谱数据集之前我们无法确定的东西。