研究人员利用美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜可能探测到了 55 巨蟹座 e 周围的大气气体，这是一颗距离地球 41 光年的炽热岩石系外行星。这是迄今为止太阳系外存在任何岩石行星大气层的最佳证据。
今天在 《自然》杂志上发表的一篇论文的主要作者是来自美国宇航局加利福尼亚州帕萨迪纳喷气推进实验室 (JPL) 的 Renyu Hu。Hu 表示：“韦伯正在将系外行星表征的前沿推进到岩石行星。它确实推动了一种新型科学的发展。”
超热超级地球 55 巨蟹座 e
55 Cancri e(下图， 详情/下载)又名詹森，是五颗已知行星之一，围绕巨蟹座中类似太阳的恒星 55 Cancri 运行。该行星的直径几乎是地球的两倍，密度略大于地球，被归类为 超级地球：比地球大，比海王星小，成分可能与我们太阳系中的岩石行星相似。
然而，将 55 巨蟹座 e 描述为“岩石”可能会给人留下错误的印象。这颗行星的轨道距离其恒星非常近(约 140 万英里，相当于水星与太阳之间距离的二十五分之一)，因此其表面很可能是熔融的—— 一个沸腾的岩浆海洋。由于轨道如此紧密，这颗行星也可能被潮汐锁定，白天的一面始终面向恒星，而夜晚的一面则永远处于黑暗之中。
尽管自 2011 年发现 巨蟹座e 凌日现象以来进行了多次观测，但巨蟹座 e 是否有大气层——或者 考虑到其高温和来自恒星的恒星辐射和 恒星风的持续冲击，是否可能有大气层—— 的问题 仍未得到解答。
“我在这颗行星上工作了十多年，”新墨西哥大学的系外行星研究员、这项研究的合著者戴安娜·德拉戈米尔 (Diana Dragomir) 说道。“我们得到的所有观测结果都无法有力地解决这些谜团，这真是令人沮丧。我很高兴我们终于得到了一些答案!”
与相对容易发现的气态巨行星的大气层不同( 美国宇航局的哈勃太空望远镜在二十多年前首次发现了气态巨行星的大气层)，岩石行星周围较薄、较稠密的大气层仍然难以捉摸。
之前 对 55 巨蟹座 e 的研究使用了美国宇航局现已退役的斯皮策太空望远镜的数据，结果表明该行星存在一个富含挥发物(地球上以气体形式存在的分子)的大气层，如氧气、氮气和二氧化碳。但研究人员不能排除另一种可能性：这颗行星光秃秃的，只有一层薄薄的蒸发岩石，富含硅、铁、铝和钙等元素。“这颗行星非常热，一些熔岩应该会蒸发，”胡解释说。
测量红外颜色的细微变化
为了区分这两种可能性，研究小组使用韦伯的 NIRCam(近红外摄像机)和 MIRI(中红外仪器)测量来自该行星的 4 至 12 微米红外光。
尽管韦伯无法直接拍摄到巨蟹座 55 e 的图像，但它可以测量行星绕恒星运行时系统光线的细微变化。
通过从行星位于恒星正旁边时的亮度(恒星和行星的光合)中减去二次日食期间(下图， 详细信息/下载)行星位于恒星后面时的亮度(仅星光)，研究小组能够计算出来自行星朝阳面的各种波长的红外光的数量。
这种方法被称为二次食 光谱法，与其他研究团队在TRAPPIST-1 b等其他岩石系外行星上寻找大气层的方法类似 。
比预期更冷
55 巨蟹座 e 可能拥有大量大气层的第一个迹象来自基于其热辐射(下图， 详细信息/下载)或以红外光形式释放的热能的温度测量。如果该行星被黑色熔岩覆盖，并有一层薄薄的蒸发岩石面纱或根本没有大气层，则白天的温度应该在 4,000 华氏度(约 2,200 摄氏度)左右。
“相反，MIRI 数据显示温度相对较低，约为 2,800 华氏度 [~1540 摄氏度]，”胡说。“这非常有力地表明能量正在从白天向夜间分配，很可能是通过富含挥发物的大气。”虽然熔岩流可以携带一些热量到夜间，但它们无法有效地移动热量来解释冷却效应。
当团队查看 NIRCam 数据时，他们看到了与富含挥发物的大气一致的模式。“我们看到光谱在 4 到 5 微米之间下降的证据——到达望远镜的光线更少，”共同作者、同样来自 NASA JPL 的 Aaron Bello-Arufe 解释道。“这表明存在含有一氧化碳或二氧化碳的大气，它们吸收这些波长的光。”没有大气或大气仅由蒸发岩石组成的行星不会具有这种特定的光谱特征。
“我们花了十年时间模拟不同的场景，试图想象这个世界可能是什么样子，”莱顿天文台和荷兰空间研究所 (SRON) 的合著者 Yamila Miguel 说道。“最终得到对我们工作的证实，这是无价的!”
沸腾的岩浆海洋
研究小组认为，覆盖 55 巨蟹座 e 的气体可能是从内部冒出来的，而不是自行星形成以来就存在的。“由于恒星的高温和强烈辐射，主要大气早已消失，”贝洛-阿鲁菲说。“这将是一个由岩浆海洋不断补充的次级大气。岩浆不仅仅是晶体和液态岩石;其中还有很多溶解的气体。”
虽然巨蟹座 55 e 太热，不适合居住，但研究人员认为它可以为研究岩石行星的大气、表面和内部之间的相互作用提供一个独特的窗口，或许还能为了解地球、金星和火星的早期状况提供参考，据信这些行星在遥远的过去曾被岩浆海洋覆盖。“最终，我们想了解什么条件使得岩石行星能够维持富含气体的大气层：这是宜居行星的关键因素，”胡说。