陜西
在銀河系里，有一類行星比太陽系中的任何行星都更常見，但它們始終像是被厚重的大氣溶膠籠罩，讓天文學家無法探測到它們真實的面目。
GJ 1214b行星，就是這群神秘天體里最具代表性的一個，天文學家花了十幾年的時間才終于從它厚重的大氣迷霧里，捕捉到了一絲關(guān)于它身世的關(guān)鍵線索。
在我們的太陽系里，行星有著清晰的分界：巖質(zhì)的類地行星，和氣態(tài)的巨行星。
但在銀河系中，數(shù)量最多的卻是半徑介于地球和海王星之間的亞海王星。
這類行星在太陽系里完全不存在，它們的真實面貌也因此成了天文學界最大的謎題之一。
2009年，天文學家發(fā)現(xiàn)了GJ 1214b，它距離地球約48光年，繞著一顆溫度極低的M4型紅矮星運轉(zhuǎn)，個頭是地球的2.7倍，質(zhì)量約為地球的8.2倍，按照最初的分類，它被歸為了典型的迷你海王星。
這顆行星的各項條件，本該是所有亞海王星里最適合開展大氣觀測的一個。
可讓所有人意外的是，在此后十幾年里，無論是地面望遠鏡還是哈勃太空望遠鏡，對它的大氣觀測都只得到了一個結(jié)果：一條平坦的、沒有任何特征的光譜。
這就像給一個人拍照，鏡頭前卻永遠蒙著一層厚厚的濃霧，只能看到一個模糊的輪廓，完全看不到任何細節(jié)。
天文學家最終確認，這顆行星的高層大氣被厚厚的氣溶膠與光化學霧霾完全包裹，所有大氣分子的特征信號，都被這層面紗徹底擋住了。
這一擋，就是十幾年。
直到詹姆斯·韋伯太空望遠鏡升空之后，事情才終于迎來了轉(zhuǎn)機。
2023年7月18日和19日，研究團隊用韋伯望遠鏡的近紅外光譜儀，連續(xù)兩次完整觀測了GJ 1214b從恒星前方掠過的凌日過程。
凌日發(fā)生時，恒星的光會穿過行星的大氣層，行星大氣中不同的元素會吸收特定波長的光，從而留下自己獨一無二的元素吸收線，這種觀測行星大氣的方法叫做透射光譜觀測。
而這一次，韋伯望遠鏡終于穿透了那層困擾天文學家多年的濃霧，得到了GJ 1214b的透射光譜。
韋伯的觀測，在2.8微米和4.3微米的波長位置，研究團隊捕捉到了星光被吸收的微弱信號，這正是二氧化碳的標志性吸收帶；同時在3.3微米的位置，還發(fā)現(xiàn)了甲烷的疑似痕跡。
為了確保這個發(fā)現(xiàn)不是觀測誤差，團隊用tshirt和Eureka!兩套完全獨立的數(shù)據(jù)分析程序?qū)?shù)據(jù)進行了處理，兩套流程得到的結(jié)果完全一致。
經(jīng)過嚴謹?shù)慕y(tǒng)計驗證，這套同時包含二氧化碳和甲烷的大氣模型，相比無特征的平坦光譜模型，置信度分別高出3.3σ和3.8σ（σ為統(tǒng)計學標準差，3σ以上代表信號具備較高的可信度）。
而單獨來看，二氧化碳信號的置信度為2.4σ，甲烷為2.0σ，仍需更多觀測完成最終確認。
研究團隊還同步驗證了恒星活動的影響，從而排除了信號來自恒星黑子干擾的可能，進一步佐證了信號源自行星大氣本身。
重要的是，這次發(fā)現(xiàn)重塑了天文學家對這顆行星的原有認知。
二氧化碳的信號遠強于甲烷，這一特征說明它的大氣有著極高的金屬豐度，在天文學里，金屬豐度這個詞指的是大氣中除了氫和氦之外的，其他所有元素的含量。
根據(jù)模型推算，它的大氣金屬豐度至少是太陽的10倍以上，結(jié)合此前韋伯望遠鏡的紅外觀測結(jié)果，其金屬豐度甚至超過100倍太陽，與太陽系里以高金屬豐度著稱的天王星、海王星（約80倍太陽）相當，甚至可能更高。
這樣的大氣構(gòu)成，完全不符合傳統(tǒng)迷你海王星的特征，反而和太陽系里的金星高度相似：
金星同樣被厚重的、高二氧化碳含量的大氣包裹，同樣被濃密的云層遮蔽視線，也正因如此，天文學家據(jù)此提出，它或許可以被歸類為系外行星里全新的超級金星亞型。
這顆行星的存在，徹底打破了人們對亞海王星的固有印象。
它既不是標準的巖質(zhì)超級地球，也不是典型的富氫迷你海王星，而是處在兩類行星之間的全新中間形態(tài)。
銀河系里有無數(shù)這樣的亞海王星，此前天文學家總以為它們有著相對統(tǒng)一的構(gòu)成，而GJ 1214b告訴我們，這類行星的多樣性遠超人類的想象。
當然，這次發(fā)現(xiàn)只是一個開始。
論文中也明確指出，受限于兩次凌日觀測的信噪比，目前甲烷的信號還比較微弱，大氣中是否還有其他氣體、那層遮蔽視線的霧霾究竟是什么成分，甚至2.8微米處的二氧化碳特征是否受到觀測系統(tǒng)誤差的影響，這些問題都還需要更多的后續(xù)觀測來解答。
但這次突破的意義，早已超越了這一顆行星本身：它證明了哪怕是被最厚重的氣溶膠包裹的系外行星，韋伯望遠鏡也能穿透迷霧，捕捉到大氣分子的微弱信號。
這套觀測和分析方法，未來可以應(yīng)用到更多系外行星上，哪怕是那些環(huán)境更溫和、可能存在生命的宜居行星，我們也能通過這種方式，探尋它們大氣中是否有氧氣、甲烷等與生命相關(guān)的氣體。
從2009年被發(fā)現(xiàn)，到2024年終于揭開面紗的一角，GJ 1214b用十幾年的時間，一次次刷新著人類對系外行星的認知。
這項研究成果，于2024年10月發(fā)表在《天體物理學雜志快報》上。
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