50光年的地質學： 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡準備研究岩石世界

美國國家航空暨太空總署的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的鏡段排列整齊，科學儀器正在校準，距離全面運行只有幾周的時間。今年夏天首次觀測結果公佈後不久， Webb 的深入科學研究將開始。

計畫在第一年進行的調查包括對兩顆因其大小和岩石成分而被歸類為「超級地球」的熱系外行星的研究：熔岩覆蓋的 55 Cancri e 和無空氣的 LHS 3844 b 。研究人員將在這些行星上訓練韋伯的高精度光譜儀[1]，以瞭解銀河系行星的地質多樣性，還有像地球這樣的岩石行星的演化。

超級熱的超級地球55 Cancri e

55 Cancri e的軌道距離其類太陽恒星不到 150 萬英里（水星與太陽距離的二十五分之一），在不到18小時的時間內公轉一圈。由於地表溫度遠高於典型岩石形成礦物的熔點，該行星的晝面被認為覆蓋著熔岩海洋。

假設圍繞恒星運行的行星被潮汐鎖定，一側始終面向恒星。因此，行星上最熱的地方應該是最直接面對恒星的地方，來自白天的熱量不應該隨著時間的推移而發生太大變化。

但這似乎並非如此。NASA 的史匹哲太空望遠鏡對 55 Cancri e 的觀測表明，這顆行星最熱的區域偏離了最直接面向恒星的部分，而從白天探測到的總熱量確實有所不同。

55 Cancri e有厚厚的大氣層嗎？

對這些觀測結果的一種解釋是，這顆行星有一個動態的大氣，可以將熱量四處移動。「55 Cancri e 可能有一個以氧或氮為主的厚大氣層。」 NASA 南加州的噴氣推進實驗室的胡仁宇（ Renyu Hu ）解釋說。

他領導的團隊將使用 Webb 的近紅外相機（ NIRCam ）[2]和中紅外儀器（ MIRI ）[3]捕捉行星白天的熱發射光譜[4]。胡補充道：「如果它有大氣層，韋伯有足夠的靈敏度和波長範圍來探測它，並確定它是由什麼組成。」

55 Cancri e晚上在下熔岩雨？

然而，另一個有趣的可能性是 55 Cancri e 沒有潮汐鎖定。相反，它可能像水星一樣，每公轉兩次自轉三次（稱為3:2共振）。因此，這顆行星會有晝夜迴圈。

「這可以解釋為什麼行星最熱的部分發生了變化。」斯德哥爾摩大學的研究人員亞曆克西斯·布蘭德克解釋說。「就像在地球上一樣，地表需要時間加熱。一天中最熱的時間是下午，而不是中午。」

布蘭德克的團隊計畫使用 NIRCam 來測試這一假設，以測量 55 Cancri e 在四個不同軌道上從被照亮的一側發出的熱量。如果這顆行星有3:2的共振，他們將對每個半球進行兩次觀測，這應該能夠檢測到兩半球之間的任何差異。

在這種情況下，行星表面會在白天升溫、融化，甚至蒸發，形成韋伯可以探測到的稀薄的的大氣。到了晚上，蒸汽會冷卻並凝結，形成熔岩液滴，這些熔岩會像雨點一樣落回行星地表，隨著夜幕降臨，再次變成固體。

岩石系外行星 LHS 3844 b 和 55 Cancri e 與地球和海王星的對比圖。 55 Cancri e 和 LHS 3844 b 在大小和品質上都介於地球和海王星之間，但在組成上它們與地球更為相似。行星按半徑遞增的順序從左到右排列。

更冷的超級地球 LHS 3844 b

雖然 55 Cancri e 將提供一個被熔岩覆蓋的世界的奇特地質的資訊，但 LHS 3844 b 為分析系外行星表面的固體岩石提供了一個獨特的機會。

和 55 Cancri e 一樣， LHS 3844 b 的軌道離它的恒星非常近，在11小時內完成一圈公轉。然而，由於其恒星相對較小且較冷，該行星的溫度不足以使其表面熔化。此外，斯皮策望遠鏡的觀測表明，這顆行星不太可能有大量的大氣層。

LHS 3844 b的表面是由什麼組成？

雖然我們無法直接用韋伯對 LHS 3844 b 的表面進行成像，但由於沒有遮蔽的大氣，因此我們可以用光譜學研究行星表面。

「事實證明，不同類型的岩石具有不同的光譜。」馬克斯·普朗克天文研究所的蘿拉·克雷德伯格解釋說。「你可以用眼睛看到花崗岩的顏色比玄武岩淺。岩石發出的紅外光也有類似的差別。」

克雷德伯格的團隊將使用 MIRI 捕捉 LHS 3844 b 白天一側的熱發射光譜，然後將其與已知岩石（如玄武岩和花崗岩）的光譜進行比較，以確定其成分。如果這顆行星有火山活動，光譜還可能顯示出微量火山氣體的存在。

這兩顆系外行星觀測的重要性遠遠超出了銀河系5000多顆已確認系外行星。克雷德伯格說：「它們將為我們提供有關類地行星的全新視角，説明我們瞭解早期地球在像今天這些行星一樣炎熱時可能是什麼樣子。」。

這些對 55 Cancri e 和 LHS 3844 b 的觀測將作為 Webb 第1週期普通觀察者（ General Observers ）[5]計畫的一部分進行。普通觀察者計畫由使用雙重匿名審查系統進行競爭性選擇，該系統與哈勃空間望遠鏡上的時間分配系統相同。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界上首屈一指的太空科學天文臺。韋伯將解開我們太陽系中的謎團，展望其他恒星周圍的遙遠世界，探索我們宇宙的神秘結構和起源以及我們在宇宙中的位置。

參考來源：

[1]spectrographs

[2]Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam)

[3]Mid-Infrared Instrument (MIRI)

[4]thermal emission spectrum

[5] General Observers

[6]Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds | NASA