寻找其他恒星周围类地行星是现代科学的伟大探索之一。天文学家已经发现了许多可能存在液态水的“金发姑娘区”中的候选行星。
下一步是研究这些系外行星的大气层，寻找它们是类地行星的证据。这些行星巨大的距离、微小的尺寸以及它们大气层更小的信号，使得这项任务极其困难。
这就是为什么天文学家对詹姆斯·韦伯太空望远镜如此兴奋的原因。作为有史以来发射的最强大的太空天文台，它能够表征一些恒星宜居带内系外行星的大气层。但它只能通过花费大量时间收集必要的光来实现这一点。
去年，它提供了证据表明，最近的温带系外行星 TRAPPIST-1b 和 TRAPPIST-1c 可能根本没有大气层。
光之魅影
现在，来自 JWST 的证据表明，第二近的温带系外行星，即 LHS 1140b，可能拥有富含氮的大气层，就像地球一样。这一发现提高了搜寻宜居行星的天文学家的风险，他们迫切需要 JWST 的更多时间来帮助确定迄今为止仍是初步发现。
“我们关于 N2 丰富大气层的初步证据，为未来对 LHS 1140 b 的透射光谱观测提供了强有力的动力，”来自加拿大蒙特利尔大学的 Charles Cadieux 及其同事表示，他们做出了这一发现。
LHS 1140 是一颗位于鲸鱼座的红矮星，距离地球约 48 光年。2017 年，一次机器人天空调查发现了其亮度的微小周期性变化，表明它至少拥有两颗系外行星，当它们从母星前方经过时会使其亮度变暗。
其中第二颗行星 LHS 1140b 完全绕着金发姑娘区运行，质量约为地球的六倍，这表明它可能是一个水世界。但除了这些，常规观测也无法告诉我们更多。
因此，Cadieux 及其团队转向了 JWST 以揭示更多信息。2023 年 12 月，该航天器两次观测到 LHS 1140b 经过其母星盘面。在每次凌星过程中，持续数小时，母星的光线会因行星阻挡而变暗百分之零点几。
但行星的大气层也会改变任何穿过它的光线，因为气体分子会在特定频率吸收光。这个信号与恒星发出的其他光相比非常微弱，因此很难被发现。但是，测量恒星本身的光谱，然后从恒星加上系外行星产生的光谱中减去它，应该能够揭示大气的光谱特征。
这就是理论，但细节决定成败。一个问题是，恒星表面可能存在不寻常活动的区域，这些区域会随着恒星的旋转而进入和离开视野。这些可能产生虚假信号。
这种现象困扰着试图研究 TRAPPIST-1 的科学家，但 LHS 1140 在这方面相对稳定，使其成为研究其系外行星大气的理想选择。“LHS 1140 是一颗慢速旋转的恒星，在几个小时的时间尺度内，其光通量水平非常稳定，”Cadieux 及其同事说。
类似地球的大气层
此外，信号的微小尺寸可能会被观测中的不确定性所淹没。在这种情况下，Cadieux 及其团队能够结合两次凌星的观测数据来增强信号。
结果初步令人兴奋。该团队排除了大气层主要由氢组成的可能性。这一点很重要，因为它消除了 LHS 1140b 是迷你海王星类型行星的可能性。
他们接着寻找大气层中水、甲烷、二氧化碳和氮气，或它们的组合的光谱证据。“我们的分析发现了 LHS 1140 b 上存在一个没有云层、以 N2 为主的大气的初步证据，”该团队表示。
其他计算也支持这一点，表明该行星的引力应该足够强大，能够在其生命周期内保留大气层，而不是让其逃逸到太空中。
这些结果正在帮助天文学家描绘出 LHS 1140b 性质的相当详细的图景。“我们对 N2 丰富大气层的初步推断表明，LHS 1140 b 是一个拥有次生大气层的水世界，”Cadieux 及其同事说。
当然，该团队在讨论他们的发现时，会谨慎地加上“初步”一词。因此，他们无法确定是否在一个拥有液态水的行星上发现了类似地球的大气层。
但是，这颗行星似乎是进一步仔细研究的最佳选择，前提是他们能够获得 JWST 的更多数据，可能还需要数年时间。这关系重大，研究人员清楚潜在的回报：“LHS 1140 b 可能是最适合间接推断其表面可能存在液态水的温带凌星行星。”
希望 JWST 在不久的将来能再次进行观测。
参考文献：使用 JWST/NIRISS 对宜居带系外行星 LHS 1140 b 进行透射光谱分析：arxiv.org/abs/2406.15136
