50光年的地质学：韦布准备研究岩石世界

美国国家航空航天局（NASA）的詹姆斯•韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的镜面部分排列整齐，科学仪器正在进行校准，距离全面运行只有几周的时间。在今年夏天首次观测结果公布后不久，韦布的深入科学研究将开始。

计划在第一年进行的调查包括对两颗因其大小和岩石成分而被归类为“超级地球”的热系外行星的研究：熔岩覆盖的55 Cancri e和无空气的LHS 3844 b。研究人员将在这些行星上训练韦布的高精度摄谱仪，以了解整个星系行星的地质多样性，以及像地球这样的岩石行星的演化。

超级热超级地球55巨蟹座55巨蟹座的轨道距离其类太阳恒星不到150万英里（水星和太阳距离的二十五分之一），在不到18小时内完成一圈。由于表面温度远高于典型的岩石形成矿物的熔点，地球的白天被认为被熔岩海洋覆盖。

在离恒星如此近的轨道上运行的行星被认为是潮汐锁定的，一侧始终面向恒星。因此，地球上最热的地方应该是最直接面对恒星的地方，而且来自白天的热量应该不会随着时间的推移而发生太大变化。

但事实似乎并非如此。美国国家航空航天局斯皮策太空望远镜对55颗Cancri e的观测表明，最热的区域与最直接面对恒星的部分偏移，而从白天探测到的热量总量确实有所不同。

55坎昆有厚厚的大气层吗？

对这些观测结果的一种解释是，这颗行星有一个动态的大气层，可以四处移动热量。美国国家航空航天局位于南加州的喷气推进实验室的胡仁宇（Renyu Hu）解释道：“55 Cancri e可能有一个由氧气或氮气主导的厚大气层。”他领导的一个团队将使用韦布的近红外相机（NIRCam）和中红外仪器（MIRI）来捕捉行星白天的热发射光谱。胡补充道：“如果它有大气层，韦布就有灵敏度和波长范围来探测它，并确定它是由什么组成的。”

还是坎昆55号晚上的熔岩雨？

然而，另一种有趣的可能性是，55 Cancri e并没有被潮汐锁定。相反，它可能像水星一样，每两个轨道旋转三次（所谓的3:2共振）。因此，这个星球将有一个昼夜循环。

斯德哥尔摩大学的研究员Alexis Brandeker解释道：“这可以解释为什么地球上最热的部分发生了变化。”他领导着另一个研究该行星的团队。“就像在地球上一样，地表升温需要时间。一天中最热的时候是下午，而不是中午。”

Brandeker的团队计划使用NIRCam来测试这一假设，以测量55 Cancri e在四个不同轨道上发光侧发出的热量。如果行星有3:2的共振，他们将对每个半球进行两次观测，并且应该能够探测到半球之间的任何差异。

在这种情况下，表面会在白天加热、融化，甚至蒸发，形成韦伯可以探测到的非常薄的大气层。晚上，蒸汽会冷却并凝结，形成熔岩滴，这些熔岩滴会降落回地表，随着夜幕降临，再次变为固体。

将岩石系外行星LHS 3844b和55 Cancrie与地球和海王星进行比较的插图。55 Cancri e和LHS 3844 b在大小和质量上都位于地球和海王星之间，但在成分上与地球更相似。这些行星按半径增加的顺序从左到右排列。稍冷的超级地球LHS 3844b虽然55 Cancri e将深入了解熔岩覆盖的世界的奇异地质，但LHS 3844b为分析系外行星表面的固体岩石提供了一个独特的机会。

像55 Cancri e一样，LHS 3844b的轨道离它的恒星非常近，在11小时内完成了一次公转。然而，由于其恒星相对较小且较冷，该行星的温度不足以使表面熔化。此外，斯皮策望远镜的观测表明，这颗行星不太可能有充足的大气层。

LHS 3844b的表面是由什么制成的？

虽然我们无法直接用韦布对LHS 3844b的表面进行成像，但由于缺乏昏暗的大气层，因此可以用光谱学研究表面。

马克斯•普朗克天文研究所的Laura Kreidberg解释道：“事实证明，不同类型的岩石有不同的光谱。”“你可以用眼睛看到花岗岩的颜色比玄武岩浅。岩石发出的红外光也有类似的差异。”

Kreidberg的团队将使用MIRI捕捉LHS 3844b白天的热发射光谱，然后将其与玄武岩和花岗岩等已知岩石的光谱进行比较，以确定其成分。如果这颗行星是火山活动的，光谱也可能揭示出微量火山气体的存在。

这些观测的重要性远远超出了银河系中5000多颗已确认的系外行星中的两颗。Kreidberg说：“它们将为我们提供对类地行星的全新视角，帮助我们了解早期地球在像今天这样炎热的时候可能是什么样子。”

这些对55 Cancri e和LHS 3844b的观测将作为韦布第一周期常规观测计划的一部分进行。General Observer项目是使用双重匿名审查系统进行竞争性选择的，该系统与哈勃望远镜上分配时间的系统相同。

詹姆斯•韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学观测站。韦布将解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦布是由美国国家航空航天局及其合作伙伴欧空局和加拿大航天局领导的一个国际项目。

横幅图片：根据目前对Cancri e系外行星的了解，展示该行星可能是什么样子的插图。55 Cancri e是一颗岩石行星，直径几乎是地球的两倍，轨道距离其类太阳恒星仅0.015天文单位。由于轨道狭窄，这颗行星非常热，白天的温度达到4400华氏度（约2400摄氏度）。艺术作品来源：美国国家航空航天局、欧空局、CSA、Dani Player（STScI）