如何讓一顆行星長出大氣層?41光年外,系外行星熔岩露了一手

在銀河系中,有至少1000億顆恆星。考慮到其中大多數都有行星,甚至不止一顆行星,銀河系內的行星數量應該相當驚人。

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這些行星中,有的有大氣層,有的沒有。但是,沒有哪顆行星像GJ 1132 b這麼奇葩。它不僅有大氣層,而且還有一個二次大氣層——在第一個大氣層完全消失後,又重新“長”出一個新的大氣層。

GJ 1132 b最早在2015年被發現,並且受到了科學家們的熱烈關注,因為它是一顆超級地球。據觀測,GJ 1132 b的半徑是地球的1。16倍,質量約為地球的1。66倍。不僅如此,它和我們的距離僅有41光年,相對來說並不遠,這給我們提供了一個絕佳的觀測物件。

不過,這顆超級地球和我們的行星還是有很大的不同的。科學家指出,GJ 1132 b非常靠近自己的宿主恆星,以至於僅僅用1。6天的時間就能夠完成一次公轉。儘管它的宿主恆星是一顆紅矮星,比太陽小得多也冷得多,但這個距離也足以將它炙烤得像煉獄一樣。根據計算,它接收的恆星輻射量相當於地球的19倍,這使得它的表面溫度高達257℃,十分恐怖。

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研究人員甚至推測:GJ 1132 b可能已經被宿主恆星“剝了一層皮”,和最初的模樣相比面目全非。據估計,在距今50億年前剛剛形成的時候,它是一顆所謂的迷你海王星,也就是比海王星略小的最小型氣體行星,擁有著濃厚的氫氣大氣層。但是由於溫度太高,輻射太強,這個極厚的大氣層在幾億年的時間裡被剝離,只留下了光禿禿的岩石核心。

不過,接下來的觀測,讓科學家們大吃一驚。在利用位於智利的MPG/ESO望遠鏡對它進行凌日觀測時,他們發現了詭異的情況。

透過光譜對觀測資料進行分析時,科學家們發現了明顯的吸收光譜,這意味著GJ 1132 b是有自己的大氣層的,進一步的觀測也印證了這個想法。而且,根據光譜可以確定,它的大氣層中氫元素含量似乎非常多,這也非常符合迷你海王星的典型特徵。

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這一下子就引起了科學家們的關注,這顆曾經失去了大氣層的行星,竟然又重新“生長出”了大氣層,著實令人感到意外和好奇。於是,他們利用哈勃太空望遠鏡對其進行了觀測。這一觀測,更加驚人的結果出現了。

根據哈勃的觀測,GJ 1132 b的大氣層不僅僅有氫氣那麼簡單,還摻雜著氰化氫、甲烷以及氨氣,同時還有大量的碳氫化合物構成的霧氣充斥在大氣中。

而且,它的大氣層也並不是非常稀薄的一層,根據研究人員的分析,它的地表大氣壓甚至和地球差不多。考慮到它目前仍然隨時都有大量的大氣逃逸到太空中,這個大氣壓也是非常驚人了。

現象是觀測到了,原因呢?GJ 1132 b為何能夠重新建立起大氣層呢?

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NASA噴氣推進實驗室的天文學家Raissa Estrela透過計算機建模的方式進行了分析,發現了可能的結果。模擬表明:在GJ 1132 b剛剛形成的時候,滾燙的岩漿在它的表面到處橫流。在這個過程中,大氣層中有大量的氫氣溶解在了岩漿之中。

如今,GJ 1132 b的表面已經在漫長的歲月裡冷卻了下來,凝聚成了固態。然而在這個固態表面以下,仍然有大量的岩漿在滾動,這個溫度既來自於行星核心處的熱量,也與恆星的引力作用有著重要的關聯。正是由於這些岩漿十分活躍,最終甚至衝破地殼噴射出來,以火山噴發的形式來到地表。

於是,數十億年前溶解在岩漿中的氫氣得以釋放,包括其他氣體和元素也一同噴湧而出,構成了新的大氣層。儘管新的大氣層也難逃逃逸的命運,但由於有大量的火山噴發不斷補充,因此整體的大氣壓力依然非常可觀。

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這樣的研究,解釋了宇宙中為何有那麼多迷你海王星存在。更重要的是,它甚至告訴我們:像地球、金星或者火星這樣的岩石行星,也未必是一開始就以這樣的形式誕生的,它們可能剛剛出生時也是迷你海王星,然後經歷了類似於GJ 1132 b的過程,變成了岩石行星。

當然,這不意味著我們太陽系的岩石行星就是這樣形成的,畢竟它們的大氣中並沒有那麼多氫氣。但是,宇宙中還有無數的岩石行星,如果滿足特定的條件,我們就可以推測它們是從迷你海王星演化來的。

本次研究的主要作者,同樣來自於噴氣推進實驗室的天文學家Mark Swain說:“有多少岩石行星出生時並不是岩石屬性的?要知道,其中有一部分可能是作為亞海王星的形態形成的,結果在一種原始大氣遭遇光蒸發的機制下變成了岩石行星的。這樣的過程通常會在行星的形成早期上演,因為那個時候恆星也更熱。

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“隨後恆星逐漸冷卻,而行星依然堅守在那裡。於是,你就會看到這個機制了:最初的1億年裡行星大氣會被蒸乾,一直到塵埃落定的那一天。但是,如果你還能夠再生大氣層,那麼就可以一直擁有它了。”

說起來也有趣,研究人員僅僅透過對GJ 1132 b有限的大氣成分研究,最終得到的竟然是地表以下行星內部結構的瞭解。這意味著,我們未來也有可能利用類似的研究,獲得系外行星的更多資訊。這對於目前無法實現星際旅行的我們來說,具有非常重要的意義。尤其在下一代望遠鏡服役後,更有助於我們瞭解這些系外行星。

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英國劍橋大學的天文學家Paul Rimmer也表示:“這第二個大氣層,是從行星的表面和內部形成的,這也是我們對另一顆星球的地質結構進行了解的機會。我們仍然需要做很多的工作,才能更好地瞭解它,但能夠發現這個機會的確是意義非凡。”