LHS 1140 b成为宜居带岩石行星中首颗被证实拥有大气层的星球

氦气正以天文学家急需的速率从LHS 1140 b逃逸——这颗位于鲸鱼座、距地球48光年的超级地球，正围绕一颗红矮星运行。这一发现，通过智利麦哲伦克莱望远镜的近红外光谱技术实现，是首次在另一颗恒星的宜居带内确认岩石行星拥有大气层，终结了系外行星科学二十年来悬而未决的难题。

这一结果并不意味着LHS 1140 b存在生命。它意味着这颗行星通过了表面宜居性的最基本前提：在试图剥离气体的力量面前，保住了自身的大气。此前，科学家曾在气态巨行星和少数亚海王星上发现大气，但从未在那些被认为最可能孕育生命的固态世界上找到过。

发现过程

确认LHS 1140 b大气层的技术有其特殊历史。通过近红外光谱探测系外行星高层大气中逃逸的氦气，最初是为气态巨行星开发的，因为那里的信号很强。将其应用于岩石行星，需要一个精确的目标和足够灵敏的仪器，以分辨出弱得多的信号。

由哈佛与史密森尼学会的科林·切鲁宾领导的团队选择了LHS 1140 b，因为它围绕一颗红矮星运行——这类恒星会以强烈的紫外线和X射线轰击其行星，足以侵蚀大气。如果氦气正在逃逸，麦哲伦克莱望远镜的WINERED光谱仪有合理的机会探测到它。让团队获得额外优势的是几何条件：在一个夜晚，LHS 1140 b和一颗邻近行星同时凌越其宿主恒星，使团队能够并行比较两个信号，并从恒星背景噪声中分离出氦气特征。

该信号与持续恒星轰击下富含氦的高层大气的预测相符。没有其他解释能符合数据。切鲁宾毫不含糊地总结道：“这是首次有人在另一颗恒星的宜居带内发现岩石行星拥有大气。”

大气含有什么——以及不含什么

这一发现专门识别了高层大气中的氦气。它并未描述低层大气的整体成分。氦气之所以能通过这种逃逸方法被探测到，正是因为它足够轻，在恒星辐射加热时会向上泄漏；较重的气体则留在低层，在该仪器的灵敏度下不会在凌星信号中留下可探测的痕迹。

低层大气是否含有氮气、二氧化碳或水蒸气——这些决定表面温度和液态水前景的温室气体——无法从这一数据集中确定。以氦为主且温室效应极小的大气，会使表面温度远低于仅凭LHS 1140 b轨道位置所暗示的水平。而含有大量二氧化碳或氮气的大气则可能将温度推向宜居范围。一颗冰冻岩石与一个水世界之间的差异，就隐藏在这些尚未测量的低层大气中。

三十亿年的存活

宿主红矮星LHS 1140的质量约为太阳的30%。红矮星在持续数亿年至超过十亿年的漫长主序前阶段会发出强烈辐射——这一时期的恶劣程度足以完全剥离稀薄大气。LHS 1140 b仍保留着可探测到的大气，这意味着它要么最初拥有一个巨大的大气库，要么在漫长岁月中通过火山脱气得到了补充，或者两者兼有。

团队估计，该大气已持续存在超过三十亿年。作为对比，地球目前富含氧气的大气本身还不到25亿年。此前的共识认为，围绕红矮星运行的岩石行星由于辐射暴露，不适合长期保留大气。LHS 1140 b用直接观测证据推翻了这一共识。

该行星位于LHS 1140的宜居带内，意味着它接收的能量大致相当于地球从太阳接收的能量——按轨道几何平均值计算。这一能量平衡是液态水存在的必要条件，前提是大气足够厚，以防止其立即蒸发或冻结。

这一发现未能解决的问题

剩余的不确定性仍然很大。该行星的内部成分仍有争议。先前的质量和半径测量结果既符合岩石超级地球，也符合海洋世界——一种部分由水冰组成的行星——两者对表面条件和宜居性有不同影响。其整体密度介于纯岩石和富含挥发物的成分所给出的数值之间。

大气的温度分布未知。氦气逃逸信号约束的是高层大气，而非决定表面气候的低层。富含氦的外层可能掩盖着比信号所暗示的更稀薄的大气，也可能更厚。

重复验证也将很困难。LHS 1140周围两颗行星同时凌星提供了不寻常的校准机会；没有这种几何巧合，背景噪声会使独立的重复测量结果更难清晰解读。来自不同技术——或来自詹姆斯·韦伯太空望远镜的透射光谱——的第二次确认，将大大增强这一结论的可信度。

最后，恒星自身的耀斑活动仍在持续轰击LHS 1140 b的高能粒子。当前大气质量是处于稳态平衡，还是正在缓慢持续流失，无法通过单次观测确定。

关于LHS 1140 b的常见问题

LHS 1140 b能否支持生命？大气层的确认确立了表面宜居性的一个必要条件，而非充分条件。科学家需要测量低层大气是否包含温室气体，是否维持足以让液态水存在的表面压力，以及行星表面是否存在任何液态水。LHS 1140 b现在是宜居带系外行星研究中优先级最高的目标；但它还不是一个确认的生命候选体。

为什么探测到氦气就能确认大气？从行星逃逸的氦气意味着存在持续的大气库。如果没有足够厚的大气，就不会有氦气供应来维持地质时间尺度上可探测的逃逸速率。这一信号是间接的，但约束良好：观测到的逃逸速率与大气逃逸模型相符，目前学界未提出其他解释。

LHS 1140 b有多远？该行星距地球48光年。在这个距离上，无论是今天建造的还是可预见的未来设想的任何航天器都无法到达。所有关于LHS 1140 b的测量都来自光——行星在凌星时在其宿主恒星光谱上留下的印记。

什么是宜居带？恒星周围的宜居带是指一个轨道距离范围，在该范围内，一颗拥有类地大气的行星可以在其表面维持液态水。它由恒星的光度和行星的反照率决定。位于宜居带是宜居性的必要但不充分条件——行星的大气、内部和磁场也都很重要。

下一步是在第4周期利用詹姆斯·韦伯太空望远镜进行透射光谱观测，瞄准LHS 1140 b的低层大气成分。这些观测计划于2027年进行。

参考文献：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

标签: 天文学, James Webb Space Telescope, exoplanet, habitable zone, LHS 1140, LHS 1140 b