LHS 1140 b成為宜居帶岩石行星中首顆獲確認擁有大氣層的星球

氦氣正從LHS 1140 b逸散至太空，其速率告訴天文學家他們迫切需要知道的答案：這顆位於鯨魚座、距地球48光年的超級地球正繞著一顆紅矮星運行，而它擁有大氣層。這項探測結果——藉由麥哲倫·克萊望遠鏡在智利進行近紅外光譜觀測而得——是史上首次在另一顆恆星宜居帶內的岩石行星上確認大氣層的存在，終結了系外行星科學界二十年來懸而未決的問題。

這項結果並不意味著LHS 1140 b上有生命存在，而是意味著這顆行星通過了表面宜居性最基本的先決條件：在各種剝蝕力量的侵蝕下仍能留住氣體。在此之前，科學家在氣態巨行星和少數亞海王星上發現了大氣層，卻從未在被認為最可能支撐生命的固態行星上發現過。

科學家如何發現大氣層

確認LHS 1140 b大氣層的觀測技術有其特定的發展歷程。透過近紅外光譜觀測偵測從系外行星高層大氣逸散的氦氣，這項技術最初是為氣態巨行星開發的，因為那裡的訊號相當強烈。將它應用於岩石行星需要精確的觀測目標，以及靈敏度足以分辨更微弱訊號的儀器。

由柯林·謝魯賓（Collin Cherubim）領導的哈佛-史密松天體物理中心團隊選擇了LHS 1140 b，原因在於它繞行一顆紅矮星——這類恆星持續以高強度的紫外線和X射線輻射轟炸行星，足以侵蝕大氣層。若有氦氣逸散，麥哲倫·克萊望遠鏡的WINERED光譜儀便有機會偵測到。讓團隊更具優勢的是一個幾何上的機緣巧合：在同一晚上，LHS 1140 b與相鄰的另一顆行星同時凌日，讓團隊得以並行比較兩組訊號，從而將氦氣特徵從恆星背景噪音中分離出來。

訊號與氦氣豐富的高層大氣在持續恆星輻射轟炸下的預測模型完全吻合，目前沒有任何競爭性解釋能符合這些數據。謝魯賓對結果直言不諱：「這是人類首次在另一顆恆星宜居帶內的岩石行星上發現大氣層。」

大氣層含有什麼，又不含什麼

這項偵測特指高層大氣中的氦氣，並未描述較低高度的整體成分。氦氣之所以能透過這種逸散方法偵測到，正是因為它夠輕盈，被恆星輻射加熱後能向上逸散；較重的氣體留在較低層，在此儀器的靈敏度下不會在凌日訊號中留下可偵測的痕跡。

低層大氣是否含有氮氣、二氧化碳或水蒸氣——這些決定表面溫度和液態水存在可能性的溫室氣體——無法從這組資料中得出結論。若大氣層以氦氣為主、溫室效應貢獻極低，表面溫度將遠低於LHS 1140 b軌道位置單獨顯示的數值；若含有大量CO₂或N₂，溫度則可能推升至宜居範圍。一顆冰封的岩石星球與一個水世界之間的差距，就在於這些尚未測量的低層大氣。

三十億年的生存歲月

宿主紅矮星LHS 1140的質量約為太陽的30%。紅矮星在延長的主序前階段會發出強烈輻射，這個階段持續數億年至逾十億年——足以將薄薄的大氣層徹底剝離。LHS 1140 b至今仍保有可偵測的大氣層，意味著它要麼最初就擁有非常龐大的大氣儲量，要麼長期透過火山排氣補充，要麼兩者兼而有之。

研究團隊估計這層大氣已持續存在逾三十億年。相較之下，地球現今富含氧氣的大氣層本身也不過二十五億年的歷史。此前的科學共識認為，繞行紅矮星的岩石行星因輻射暴露而不利於大氣長期保存。LHS 1140 b以直接觀測證據推翻了這一共識。

這顆行星位於LHS 1140的宜居帶，意味著它接收的能量在軌道幾何平均後，大致與地球接收太陽能量相當。這樣的能量平衡是液態水存在的必要條件，前提是大氣層夠厚，能防止液態水立即蒸發或凍結。

這項發現尚未解答什麼

仍存在大量不確定性。這顆行星的內部組成仍有爭議。此前的質量和半徑測量結果，既與岩質超級地球相符，也與海洋世界——一顆部分由水冰構成的行星——的模型相容，兩者對表面狀況和宜居性有著截然不同的意涵。其整體密度介於純岩石行星和揮發物飽和行星之間。

大氣層的溫度剖面尚不清楚。氦氣逸散訊號限定的是高層大氣，而非決定表面氣候的低層大氣。富含氦氣的外層可能遮蓋著一層遠比訊號所示更薄的大氣，也可能是更厚的大氣。

重複驗證同樣困難重重。LHS 1140系統中兩顆行星同時凌日提供了罕見的校正機會；少了這個幾何巧合，背景噪音將使獨立重複測量更難得出清晰結論。若能透過不同技術或詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的透射光譜獲得第二次確認，將大幅強化這一論點。

此外，恆星本身持續的耀斑活動仍在用高能粒子轟擊LHS 1140 b。目前的大氣質量是否處於穩態平衡，還是正在緩慢持續消耗，僅憑單一時刻的偵測無法確定。

關於LHS 1140 b的常見問題

LHS 1140 b有可能支撐生命嗎？大氣層的確認建立了表面宜居性的一個必要條件，而非充分條件。科學家仍需確認低層大氣是否含有溫室氣體、表面氣壓是否足以維持液態水，以及行星表面是否存在液態水。LHS 1140 b目前已是宜居帶系外行星研究中優先級最高的目標，但尚未被確認為生命候選天體。

為什麼偵測到氦氣就能確認大氣層的存在？從行星逸散的氦氣意味著其下方存在持續的大氣儲量。若無足夠厚的大氣層，便不存在可在地質時間尺度上維持可偵測逸散率的氦氣來源。這個訊號是間接的，但受到良好約束：觀測到的逸散率與大氣逸散模型完全吻合，目前科學界尚無任何競爭性解釋。

LHS 1140 b距地球有多遠？這顆行星距地球48光年。以這樣的距離，目前或近期可預見的任何太空船都無法抵達。對LHS 1140 b的所有測量均來自光——行星在凌日過程中通過宿主恆星前方時，在恆星光譜上留下的印記。

什麼是宜居帶？恆星周圍的宜居帶是指行星（假設擁有類似地球的大氣層）能在表面維持液態水的軌道距離範圍，由恆星光度和行星反照率共同決定。身處宜居帶是宜居性的必要條件，而非充分條件——行星的大氣層、內部結構和磁場同樣至關重要。

下一步計畫是利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在第4周期進行透射光譜觀測，目標是測定LHS 1140 b低層大氣的組成，相關觀測預計於2027年展開。

參考文獻：Cherubim et al., “Helium Escape Detection Confirms an Atmosphere on the Habitable-Zone Super-Earth LHS 1140 b,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea9708

標籤: 天文學, James Webb Space Telescope, exoplanet, habitable zone, LHS 1140, LHS 1140 b