韦伯排除了岩石系外行星存在浓厚的二氧化碳大气层的可能性

一个国际研究小组使用宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜计算了来自岩石系外行星 TRAPPIST-1 c 的热能。结果表明，这颗行星的大气层——如果存在的话——非常稀薄。

TRAPPIST-1 c 的日间温度约为 380 开尔文(约 225 华氏度)，现在是根据热辐射表征的最冷的岩石系外 行星。这些测量所需的精度进一步证明了韦伯在描述与我们太阳系中的岩石系外行星大小和温度相似的岩石系外行星方面的实用性。

这一结果标志着在确定围绕像 TRAPPIST-1(银河系中最常见的恒星类型)这样的小红矮星运行的行星是否 能够维持我们所知的生命所需的大气层方面又迈出了一步。

“我们想知道岩石行星是否有大气层，”德国马克斯普朗克天文学研究所的研究生、今天发表在《自然》杂志上的结果的第一作者塞巴斯蒂安齐巴 说。“过去，我们只能真正研究大气层厚且富氢的行星。有了韦伯，我们终于可以开始寻找以氧气、氮气和二氧化碳为主的大气层。”

“TRAPPIST-1 c 很有趣，因为它基本上是金星的双胞胎：它的大小与金星差不多，并且从其宿主恒星接收的辐射量与金星从太阳接收的辐射量相似，”共同作者 Laura Kreidberg 解释说，同样来自 Max普朗克。“我们认为它可能像金星一样拥有厚厚的二氧化碳大气层。”

TRAPPIST-1 c 是围绕距地球 40 光年的超冷红矮星(或 M 矮星)运行的七颗岩石行星之一 。尽管这些行星在大小和质量上与我们太阳系内的岩石行星相似，但尚不清楚它们是否确实具有相似的大气层。在它们生命的最初十亿年里，M 型矮星会发出明亮的 X 射线和紫外线辐射，可以轻易地剥离年轻行星的大气层。此外，在行星形成时，可能有也可能没有足够的水、二氧化碳和其他挥发物来形成大量的大气层。

为了解决这些问题，该团队使用 MIRI(韦伯的中红外仪器)在行星移动到恒星后面时在四个不同的场合观察了 TRAPPIST-1 系统，这种现象被称为二次 日食。通过比较行星在恒星后面时的亮度(仅限星光)与行星在恒星旁边时的亮度(来自恒星和行星的光的总和)，该团队能够计算出波长为地球日面释放出 15 微米。

这种方法与另一个研究小组用来确定系统中最内层的行星TRAPPIST-1 b可能没有任何大气层的方法相同 。

行星发出的中红外光量与其温度直接相关，而温度又受大气影响。二氧化碳气体优先吸收 15 微米的光，使行星在该波长下显得更暗。然而，云可以反射光线，使地球看起来更亮并掩盖二氧化碳的存在。

此外，任何成分的大量大气都会将热量从白天重新分配到夜晚，导致白天温度低于没有大气时的温度。(因为 TRAPPIST-1 c 的轨道离它的恒星很近——大约是金星和太阳之间距离的 1/50——它 被认为被潮汐锁定，一侧处于永恒的白天，另一侧处于无尽的黑暗中。)

尽管这些初始测量并未提供有关 TRAPPIST-1 c 性质的明确信息，但它们确实有助于缩小可能的可能性。“我们的 结果与 这颗行星是一块没有大气层的裸露岩石，或者这颗行星的 CO 2 大气非常稀薄(比地球甚至火星上的都稀薄)且没有云层是一致的，”Zieba 说。“如果这颗行星有浓厚的 CO2大气层 ，我们就会观察到一次非常浅的二次日食，或者根本看不到。这是因为 CO 2 会吸收所有 15 微米的光，所以我们不会检测到任何来自地球的光。”

数据还表明，这颗行星不太可能是真正的金星模拟物，具有厚厚的 CO 2 大气层和硫酸云。

没有厚厚的大气层表明这颗行星可能是在水相对较少的情况下形成的。如果更冷、更温和的 TRAPPIST-1 行星是在类似的条件下形成的，那么它们也可能是在形成宜居行星所需的水和其他必要成分很少的情况下开始的。

在如此遥远的一颗小行星上区分各种大气情景所需的灵敏度确实非常了不起。韦伯在二次日食期间检测到的亮度下降仅为 0.04%：相当于观看 10,000 个小灯泡的显示屏并注意到只有四个熄灭了。

Kreidberg 说：“我们可以测量这一点，这真是太棒了。” “几十年来，关于岩石行星能否保持大气层的问题一直存在。韦伯的能力确实让我们进入了一种状态，在这种状态下，我们可以开始以前所未有的方式将系外行星系统与我们的太阳系进行比较。”

这项研究是作为韦伯的 一般观察员 (GO) 计划 2304的一部分进行的，该计划是韦伯科学第一年的八个计划之一，旨在帮助全面表征 TRAPPIST-1 系统。明年，研究人员将进行 后续调查 ，以观察 TRAPPIST-1 b 和 TRAPPIST-1 c 的完整轨道 。这将使我们有可能看到两颗行星从白天到夜晚的温度如何变化，并将进一步限制它们是否有大气层。

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