探索炽热岩质系外行星 TRAPPIST-1 b：韦伯新数据揭示其无大气层特征

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这张插图显示了根据这项工作，炽热的岩石系外行星 1 b 可能是什么样子。 -1 b 是 -1 系统中七颗已知行星中最里面的一颗。它绕恒星运行的距离为 0.011 个天文单位，仅需 1.51 个地球日即可完成一圈。 -1 b 比地球稍大，但密度大致相同，表明它一定是由岩石构成的。韦伯对 -1 b 发出的中红外光的测量表明，该行星没有任何实质性的大气层。这颗名为-1的恒星是一颗超冷红矮星（M矮星），温度仅为2566开尔文，质量仅为太阳质量的0.09倍。该地图基于韦伯中红外仪器（MIRI）收集的新数据以及其他地面和太空望远镜之前的观测结果。韦伯没有拍摄到该行星的任何图像。

图片来源：NASA、ESA、CSA、J. (STScI)

一个国际研究小组使用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜测量了岩石系外行星-1 b的温度。该测量基于行星的热辐射：韦伯中红外仪器（MIRI）检测到以红外光形式释放的热能。结果表明，该行星的白天温度约为 500 开尔文（约 450 华氏度），表明它没有明显的大气层。

这是第一次检测到来自太阳系岩石行星这样小而冷的系外行星的任何形式的光。这些结果标志着在确定像-1这样的小型活跃恒星周围的行星是否能够支持生命所需的大气层方面迈出了重要的一步。这也预示着韦伯能够利用 MIRI 来描述温和的、地球大小的系外行星的特征。

“这些观测确实利用了韦伯的中红外能力，”美国宇航局艾姆斯研究中心的天体物理学家、今天发表在《自然》杂志上的这项研究的主要作者托马斯·格林说。 “从来没有任何望远镜具有测量如此微弱的中红外光的灵敏度。”

该图将使用韦伯中红外仪器 (MIRI) 测量的 -1 b 白天温度与不同条件下计算机模型的温度进行了比较。这些模型考虑了系统的已知特性，包括恒星的温度和行星的轨道距离。还显示了水星白天的温度以供参考。 15 微米处的 -1 b 白天亮度对应于约 500 开尔文（约 450 华氏度）的温度。这与假设行星被潮汐锁定（一侧始终面向恒星）、具有较暗的表面、没有大气层并且没有热量从白天到夜晚重新分配的温度一致。如果来自恒星的热能均匀分布在行星周围（例如，通过循环的无二氧化碳大气层），15 微米处的温度将为 400 开尔文（260 华氏度）。如果大气中存在大量二氧化碳，它就会发出更少的 15 微米光，并且显得更冷。虽然-1 b按照地球标准来说很热，但它比水星的日面温度低，水星的日面由裸露的岩石组成，没有明显的大气层。水星从太阳获得的能量大约是 -1 b 从其恒星获得的能量的 1.6 倍。

图片来源：插图：NASA、ESA、CSA、J. (STScI)；科学解释：（NASA Ames）、贝尔（BAERI）、埃尔莎（CEA）、-（CEA）

围绕超冷红矮星运行的岩石行星

2017 年初，天文学家报告称，在距离地球 40 光年的超冷红矮星（或 M 矮星）周围发现了七颗岩石行星。这些行星的非凡之处在于它们的大小和质量与我们太阳系内的岩石行星相似。尽管它们的轨道都比我们绕太阳运行的任何行星都更靠近恒星——它们都可以轻松绕水星运行——但它们从微小恒星获得的能量与水星一样多。

-1 b，最内层的行星，绕地球运行距离约百分之一，接收的能量约为地球从太阳获得的能量的四倍。尽管它不在该系统的宜居带内，但对该行星的观测可以提供有关其兄弟行星以及其他 M 矮星系统的重要信息。

格林解释说：“银河系中这些恒星的数量是太阳等恒星的十倍，它们拥有岩石行星的可能性是太阳等恒星的两倍。” “但它们也非常活跃——它们年轻时非常明亮，发出耀斑和 X 射线，可以破坏大气层。”

来自法国替代能源和原子能委员会 (CEA) 的合著者、-1 系统早期研究小组的成员埃尔莎·杜克洛 (Elsa ) 补充道：“围绕较小、较冷恒星运行的类地行星更容易描述。如果我们想要了解 M 星周围的宜居性，-1 系统是我们观察岩石行星大气层的绝佳实验室。”

检测大气（或不检测）

哈勃和斯皮策太空望远镜之前对-1 b的观测没有发现大气层膨胀的证据，但不能排除浓密大气层的可能性。

减少不确定性的一种方法是测量地球的温度。该论文的合著者、来自 CEA 的皮埃尔-奥利维尔·拉赫 (- Lage) 表示：“这颗行星被潮汐锁定，一侧始终面向恒星，另一侧始终处于黑暗中。” “如果有大气层来循环和重新分配热量，白天就会比没有大气层时凉爽。”

该团队使用了一种称为二次日食光度测量的技术，其中 MIRI 测量当行星移动到恒星后面时系统亮度的变化。虽然-1 b 的温度不足以发射可见光，但它确实会发出红外线。通过从恒星和行星的总亮度中减去恒星本身的亮度（在二次日食期间），他们能够成功计算出行星发射了多少红外光。

这条光曲线显示了当最里面的行星 -1 b 移动到恒星后面时 -1 系统的亮度变化。这种现象称为二次日食。天文学家使用韦伯中红外仪器（MIRI）来测量中红外光的亮度。当一颗行星靠近一颗恒星时，来自恒星和行星白天的光线都会到达望远镜，系统看起来会更亮。当行星位于恒星后面时，来自行星的光被阻挡，只有星光到达望远镜，导致视亮度降低。天文学家可以通过从恒星和行星的亮度总和中减去恒星的亮度来计算有多少红外光来自行星的白天。然后用它来计算白天的温度。该图显示了使用 MIRI 滤光片进行的五次独立观测的综合数据，该滤光片只允许波长在 13.5-16.6 微米之间的光通过探测器。蓝色方块是单独的亮度测量值。红色圆圈显示已“分类”或平均的测量值，以便更容易看到随时间的变化。第二次日食期间，亮度下降不到0.1%。 MIRI 能够检测小至 0.027%（或 3700 分之一）的变化。这是对 -1 b 或任何像地球一样小、像太阳系中的岩石行星一样冷的行星的热发射的首次观测。为了确认结果并缩小解释范围，使用 12.8 微米过滤器重复观察。

图片来源：插图：NASA、ESA、CSA、J. (STScI)；科学解释：（NASA Ames）、贝尔（BAERI）、埃尔莎（CEA）、-（CEA）

测量亮度的微小变化

韦伯探测到第二次日食本身就是一个重要的里程碑。这颗恒星的亮度是行星的1000倍以上，亮度变化小于0.1%。

湾区环境研究所的博士后研究员泰勒·贝尔分析了这些数据，他说：“人们还担心我们会错过日食。行星都在相互吸引，因此轨道并不完美。” “但这令人惊讶：我们在数据中看到的日食发生时间与预测的时间相差几分钟。”

该团队分析了五次独立观测的次生日食的数据。 “我们将结果与显示不同情况下温度的计算机模型进行了比较，”杜克洛解释道。 “这个结果几乎与由暴露的岩石组成的黑体完全一致，没有大气来循环热量。我们也没有看到任何光被二氧化碳吸收的迹象，这在这些测量中很明显。”

这项研究是韦伯保证时间观测 (GTO) 1177 项目的一部分，该项目是韦伯第一年科学研究的八个项目之一，旨在帮助全面表征 -1 系统。目前正在进行更多的-1 b 二次日食观测，现在他们知道了数据的准确性，该团队希望最终能够探测到显示整个轨道亮度变化的完整相位曲线。这将使他们能够看到白天和晚上的温度如何变化，并确认该行星是否有大气层。

“我有一个梦想的目标。”从事 MIRI 仪器开发 20 多年的  说道。 “就是这样。这是我们第一次能够探测到岩石质的、温和的行星辐射。这是发现系外行星的重要一步。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将揭开太阳系的奥秘，窥视其他恒星周围的遥远世界，探索宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是一个由 NASA 及其合作伙伴欧洲航天局 (ESA) 和加拿大航天局 (CSA) 领导的国际项目。 MIRI由NASA和ESA资助，该仪器由国家资助的欧洲研究所联盟（MIRI ）和NASA喷气推进实验室与亚利桑那大学合作设计和建造。