想象一下，如果地球離太陽更近。如此接近，以至于一整年只持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。如此接近，以至于重力將一個(gè)半球鎖定在永久灼熱的日光下，將另一個(gè)半球鎖定在無盡的黑暗中。如此之近，以至于海洋沸騰，巖石開始融化，云層下著熔巖。
雖然我們自己的太陽系中不存在這種行星，但像這樣的行星——巖石狀的、大致的地球大小的、極其熱的、靠近恒星的行星——在銀河系中并不罕見。
這些行星的表面和大氣層到底是什么樣子的？美國(guó)宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡即將提供一些答案。
美國(guó)宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的鏡面部分精美對(duì)齊，科學(xué)儀器正在校準(zhǔn)，距離全面運(yùn)行只有幾周的時(shí)間了。在今年夏天首次觀測(cè)結(jié)果被揭示后不久，韋伯的深入科學(xué)將開始。
計(jì)劃第一年的調(diào)查包括對(duì)兩顆因其大小和巖石成分而被歸類為“超級(jí)地球”的熱系外行星的研究：熔巖覆蓋的55 Cancri e和無氣的LHS 3844 b。研究人員將在這些行星上訓(xùn)練韋伯的高精度光譜儀，以了解整個(gè)銀河系行星的地質(zhì)多樣性，以及像地球這樣的巖石行星的演化。
超級(jí)熱門超級(jí)地球55 Cancri e
55 Cancri e的軌道距離其類太陽恒星不到150萬英里（水星和太陽之間距離的二十五分之一），在不到18小時(shí)內(nèi)完成了一個(gè)電路。由于表面溫度遠(yuǎn)高于典型巖石形成礦物的熔點(diǎn)，地球的日側(cè)被認(rèn)為被熔巖海洋覆蓋。
假設(shè)繞著這顆恒星運(yùn)行的行星是潮汐鎖定的，一邊始終面向恒星。因此，地球上最熱的地方應(yīng)該是最直接面對(duì)恒星的地方，來自白天的熱量不應(yīng)該隨著時(shí)間的推移而變化很大。
但情況似乎并非如此。美國(guó)宇航局斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)55 Cancri e的觀測(cè)表明，最熱的區(qū)域與最直接面對(duì)恒星的部分相抵消，而白天檢測(cè)到的總熱量確實(shí)有所不同。
55 Cancri e有濃厚的氛圍嗎？
這些觀測(cè)的一個(gè)解釋是，這顆行星有一個(gè)動(dòng)態(tài)大氣層，可以移動(dòng)熱量。南加州美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Hu仁宇解釋說：“55 Cancri e可能有一個(gè)以氧氣或氮為主的厚大氣層。”他領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)將使用Webb的近紅外相機(jī)（NIRCam）和中紅外儀器（MIRI）來捕獲行星日側(cè)的熱發(fā)射光譜。Hu補(bǔ)充說：“如果它有大氣層，[Webb]具有靈敏度和波長(zhǎng)范圍來檢測(cè)它并確定它是由什么組成的?！?/p>
還是在55 Cancri e的晚上下雨的熔巖？
然而，另一個(gè)有趣的可能性是，55 Cancri e沒有被潮汐鎖定。相反，它可能像水星一樣，每?jī)蓚€(gè)軌道旋轉(zhuǎn)三次（所謂的3:2共振）。因此，這個(gè)星球?qū)⒂幸粋€(gè)晝夜循環(huán)。
斯德哥爾摩大學(xué)的研究人員Alexis Brandeker領(lǐng)導(dǎo)著另一個(gè)研究地球的團(tuán)隊(duì)，他解釋說：“這可以解釋為什么地球上最熱的部分會(huì)發(fā)生變化?！薄熬拖裨诘厍蛏弦粯?，表面升溫需要時(shí)間。一天中最熱的時(shí)間是下午，而不是中午?！?/p>
Brandeker的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用NIRCam測(cè)試這一假設(shè)，以測(cè)量Cancri e在四個(gè)不同軌道上55個(gè)亮側(cè)發(fā)出的熱量。如果行星有3:2的共振，他們將觀察每個(gè)半球兩次，并且應(yīng)該能夠檢測(cè)到半球之間的任何差異。
在這種情況下，表面會(huì)在白天加熱、融化甚至蒸發(fā)，形成韋伯可以檢測(cè)到的非常薄的大氣層。晚上，蒸汽會(huì)冷卻和凝結(jié)，形成熔巖飛沫，這些熔巖飛沫會(huì)雨回水面，隨著夜幕降臨，熔巖再次變固。
將巖石系外行星LHS 3844 b和55 Cancri e與地球和海王星進(jìn)行比較的插圖。55 Cancri e和LHS 3844 b在大小和質(zhì)量上都介于地球和海王星之間，但在組成方面更相似。這些行星按半徑增加的順序從左到右排列。
有點(diǎn)酷的超級(jí)地球 LHS 3844 b
雖然55 Cancri e將深入了解熔巖覆蓋的世界的外來地質(zhì)，但LHS 3844 b為分析系外行星表面的固體巖石提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)。
與55 Cancri e一樣，LHS 3844 b的軌道非常接近恒星，在11小時(shí)內(nèi)完成一次旋轉(zhuǎn)。然而，由于它的恒星相對(duì)較小和涼爽，這顆行星不夠熱，無法融化表面。此外，斯皮策的觀測(cè)表明，這顆行星不太可能有大量的大氣層。
LHS 3844 b的表面是由什么制成的？
雖然我們無法直接用Webb成像LHS 3844 b的表面，但由于缺乏模糊的大氣層，可以用光譜研究表面。
馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所的勞拉·克雷德伯格解釋說：“事實(shí)證明，不同類型的巖石有不同的光譜?！薄澳憧梢杂醚劬吹交◢弾r的顏色比玄武巖淺。巖石發(fā)出的紅外線也有類似的差異?！?/p>
Kreidberg的團(tuán)隊(duì)將使用MIRI捕獲LHS 3844 b日側(cè)的熱發(fā)射光譜，并將其與玄武巖和花崗巖等已知巖石的光譜進(jìn)行比較，以確定其成分。如果該行星具有火山活動(dòng)，光譜也可能顯示微量的火山氣體。
這些觀測(cè)的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了銀河系5000多顆已確認(rèn)的系外行星中的兩顆。Kreidberg說：“它們將為我們提供關(guān)于類地行星的奇妙的新視角，幫助我們了解早期地球在像今天這樣炎熱時(shí)會(huì)是什么樣子。”
55 Cancri e和LHS 3844 b的這些觀察將作為Webb第1周期一般觀察員計(jì)劃的一部分進(jìn)行。一般觀察家計(jì)劃是使用雙匿名審查系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)性選擇的，該系統(tǒng)與用于在哈勃上分配時(shí)間的系統(tǒng)相同。
詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡是世界上首屈一指的空間科學(xué)天文臺(tái)。韋伯將解開我們太陽系的奧秘，超越其他恒星周圍的遙遠(yuǎn)世界，并探索我們宇宙的神秘結(jié)構(gòu)和起源以及我們?cè)谄渲械奈恢谩?/p>
