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)幾個小時。如此接近，以至于重力將一個半球鎖定在永久灼熱的日光下，將另一個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。
美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的鏡面部分精美對齊，科學(xué)儀器正在校準(zhǔn)，距離全面運行只有幾周的時間了。在今年夏天首次觀測結(jié)果被揭示后不久，韋伯的深入科學(xué)將開始。
計劃第一年的調(diào)查包括對兩顆因其大小和巖石成分而被歸類為“超級地球”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。
超級熱門超級地球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小時內(nèi)完成了一個電路。由于表面溫度遠(yuǎn)高于典型巖石形成礦物的熔點，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)該是最直接面對恒星的地方，來自白天的熱量不應(yīng)該隨著時間的推移而變化很大。
但情況似乎并非如此。美國宇航局斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡對55 Cancri e的觀測表明，最熱的區(qū)域與最直接面對恒星的部分相抵消，而白天檢測到的總熱量確實有所不同。
55 Cancri e有濃厚的氛圍嗎？
這些觀測的一個解釋是，這顆行星有一個動態(tài)大氣層，可以移動熱量。南加州美國宇航局噴氣推進(jìn)實驗室的Hu仁宇解釋說：“55 Cancri e可能有一個以氧氣或氮為主的厚大氣層?！彼I(lǐng)導(dǎo)著一個團(tuán)隊，該團(tuán)隊將使用Webb的近紅外相機（NIRCam）和中紅外儀器（MIRI）來捕獲行星日側(cè)的熱發(fā)射光譜。Hu補充說：“如果它有大氣層，[Webb]具有靈敏度和波長范圍來檢測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，每兩個軌道旋轉(zhuǎn)三次（所謂的3:2共振）。因此，這個星球?qū)⒂幸粋€晝夜循環(huán)。
斯德哥爾摩大學(xué)的研究人員Alexis Brandeker領(lǐng)導(dǎo)著另一個研究地球的團(tuán)隊，他解釋說：“這可以解釋為什么地球上最熱的部分會發(fā)生變化?！薄熬拖裨诘厍蛏弦粯?，表面升溫需要時間。一天中最熱的時間是下午，而不是中午。”
Brandeker的團(tuán)隊計劃使用NIRCam測試這一假設(shè)，以測量Cancri e在四個不同軌道上55個亮側(cè)發(fā)出的熱量。如果行星有3:2的共振，他們將觀察每個半球兩次，并且應(yīng)該能夠檢測到半球之間的任何差異。
在這種情況下，表面會在白天加熱、融化甚至蒸發(fā)，形成韋伯可以檢測到的非常薄的大氣層。晚上，蒸汽會冷卻和凝結(jié)，形成熔巖飛沫，這些熔巖飛沫會雨回水面，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。
有點酷的超級地球 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獨特的機會。
與55 Cancri e一樣，LHS 3844 b的軌道非常接近恒星，在11小時內(nèi)完成一次旋轉(zhuǎn)。然而，由于它的恒星相對較小和涼爽，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：“事實證明，不同類型的巖石有不同的光譜。”“你可以用眼睛看到花崗巖的顏色比玄武巖淺。巖石發(fā)出的紅外線也有類似的差異。”
Kreidberg的團(tuán)隊將使用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，光譜也可能顯示微量的火山氣體。
這些觀測的重要性遠(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會是什么樣子?！?/p>
55 Cancri e和LHS 3844 b的這些觀察將作為Webb第1周期一般觀察員計劃的一部分進(jìn)行。一般觀察家計劃是使用雙匿名審查系統(tǒng)競爭性選擇的，該系統(tǒng)與用于在哈勃上分配時間的系統(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。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)和起源以及我們在其中的位置。
