55 Cancri e 是一顆身份不明的系外行星。
在 2004 年發現它以灼熱的近距離軌道圍繞一顆 40 光年外的恆星執行時，天文學家稱這顆行星為“超級地球”。55 Cancri e 的質量略低於地球的八倍，大小是地球的兩倍，它是一個輕量級的行星，橫跨了類地行星和氣態巨行星之間模糊的界限。我們的太陽系中不存在類似的東西。多年來，研究人員認為對其中間大小的最佳解釋是，一個多岩石的、地球大小的核心被一層厚厚的、蒸汽騰騰的大氣層所覆蓋。然而，現在，一顆新的行星地圖——這是此類小行星的首張地圖——表明 55 Cancri e 可能根本沒有大氣層，並且可能是一個無空氣、半熔融的爐渣球。
劍橋大學的布萊斯-奧利維爾·德莫里領導的團隊利用 NASA 的紅外斯皮策太空望遠鏡進行了 80 小時的觀測，粗略地繪製了該行星的熱“相曲線”——即它圍繞恆星執行時亮度的變化。這顆行星被潮汐鎖定在其恆星上，這意味著該行星每繞軌道執行一週只自轉一次，因此一個半球永遠沐浴在陽光下，而另一個半球則在黑暗中衰退。該團隊的測量結果表明，該行星的夜側實際上會呈現出紅色的光芒，因為其溫度似乎超過 1000 攝氏度——像高爐一樣熱。真正令人驚訝的是，55 Cancri 的白天溫度是其兩倍，其最熱點從其預期的恆星正下方的位置向東移動。這項發現發表在《自然》雜誌上。(《大眾科學》是施普林格自然的一部分。)
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白天和夜晚溫度之間的極端差異表明 55 Cancri 沒有明顯的大氣層，因為風應該在兩個半球之間重新分配熱量。然而，移動的白天熱點表明，無論如何都在重新分配熱量，將其從行星表面上恆星輻射最強的“次恆星點”向東掃去。“我們首次使用遙感技術來繪製超級地球的溫度分佈圖，”劍橋大學的研究合著者尼克胡·馬杜蘇丹說。“這是一個很好的結果，但它告訴我們的是非常奇怪的：一部分資料表明這顆行星不可能有大氣層，但另一部分資料表明那裡有必須流動的東西。”
德莫里認為，這種“東西”可能是熔岩。“如果 55 Cancri e 沒有大氣層，它的熱點將意味著我們看到的是一個裸露的岩石行星，其表面有一片流動的熔岩，將部分熱量從白天轉移出去，”德莫里說。白天將被流動的熔岩海覆蓋，最輕、粘度最低的熔岩將流向夜晚，在那裡它們可能會冷卻、變得遲緩並結晶成固體岩石。
或者，他說，這顆行星可能擁有大氣層，儘管是非常奇怪的大氣層，充滿了蒸發的岩石雲。盛行風可能會隨著行星的自轉將雲向東掃去，從而形成移動的熱點，但岩石蒸汽必須在進入夜側後非常迅速地凍結並落到地面上。“問題在於找到一種可以像這樣表現的化合物混合物，”德莫里說。“我們需要一種有趣的東西，它在白天可能是氣態的，但在晚上仍然會凝結。我們已經尋找過，但到目前為止，我們還沒有找到任何符合這些標準的物質，因此我們首選的解釋是熔岩，除非有相反的證據。”
麻省理工學院的天文學家和行星科學家薩拉·西格說：“我們擁有一個超級地球的相曲線，這真是太令人興奮了。”“這表明天文學家正在盡最大努力最佳化技術，以在越來越小的行星上工作，並且大自然再次交付了一顆圍繞附近明亮恆星執行的迷人行星。”
這個動畫插圖顯示了岩石系外行星 55 Cancri e 的一種可能情景，它的大小几乎是地球的兩倍。新的斯皮策資料表明，該行星的一側比另一側熱得多，這可以用熔岩池的可能存在來解釋。
來源：NASA/JPL-Caltech
一個困難的目標
並非所有人都相信 55 Cancri e 是一個熔岩世界，或者斯皮策的行星相曲線甚至根本有效。麥吉爾大學的天文學家尼古拉斯·考恩曾使用斯皮策資料建立氣態巨行星系外行星的熱圖，他不確定老化的望遠鏡是否有能力調查較小的行星。“原始望遠鏡資料通常會顯示幾個百分點的變化，這與所討論的行星甚至其宿主恆星無關，”考恩說。相比之下，55 Cancri e 聲稱的變化相當於以百萬分之幾為單位測量的亮度變化。如此精密的測量目前之所以完全有可能，是因為該行星的宿主恆星非常明亮，因此為天文學家提供了更多可以使用的光子。此外，55 Cancri e 會凌日其恆星，這意味著它會從地球上看到的角度穿過恆星表面，投下陰影，天文學家可以從中挖掘有關該行星可能的大氣層和表面的資訊。
“如果這是真的，那麼這是一個令人興奮的結果，標誌著外地質學和外氣候學的碰撞，”考恩繼續說道。“我懷疑訊號本質上是儀器造成的，而不是天體物理學造成的。斯皮策的表現比預期的要好，但我們通常會將其推到超出規格的數量級之外。我們透過仔細建模航天器和儀器本身可能導致行星系統的表觀亮度隨時間變化的所有方式來提取科學……我們非常確定我們可以信任我們的斯皮策模型，精度達到大約萬分之一；就探測器行為而言，我們處於未知領域。”
加州理工學院的天文學家希瑟·克努森是斯皮策對巨型系外行星進行熱成像的先驅，她也持類似的懷疑態度。“這裡價值數十億美元的問題是，55 Cancri e 實際上是否是一顆幾乎沒有大氣層的岩石行星，”她說。
克努森是她的博士後比約恩·本內克領導的團隊的一員，該團隊現在正在使用哈勃太空望遠鏡監測該行星是否有大氣層的跡象。特別是，他們正在觀察行星凌日的情況，尋找由於富氫大氣層吸收星光而導致的行星陰影明顯變寬的跡象。已經有一個競爭團隊使用了本內克的觀測計劃中公開的資料，聲稱探測到 55 Cancri e 上存在大氣層，但克努森也懷疑這些結果。“這顆行星一直是哈勃和斯皮策多次大型觀測活動的的目標，但我們仍在努力弄清楚關於其內部組成以及——如果有的話——其大氣層的基本問題的答案，”克努森說。“這說明了觀測如此小的行星的難度。”
深入研究
如果 55 Cancri e 實際上是一個熔岩世界，它可能會開啟研究系外行星的新領域。在現在已知的數千顆系外行星中，大多數是靠近恆星的溫暖超級地球，這表明這種行星可能是我們星系中最常見的行星。美國宇航局的凌日系外行星巡天衛星 (TESS) 和歐空局的系外行星表徵衛星 (CHEOPS) 將於 2017 年發射，它們應該共同發現並研究更多像 55 Cancri e 一樣圍繞附近恆星執行的行星。
德莫里說，CHEOPS 團隊已經在計劃對 Cancri 55 e 進行廣泛的觀測，以尋找與可能發生的火山爆發相關的羽流或其他爆發。他說，計劃於 2018 年發射的 NASA 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可以研究被其恆星的強烈輻射濺射到行星上的汽化物質的化學成分，嗅探像輝石和橄欖石等岩石的跡象，以追蹤遙遠世界上的地球化學迴圈。或者，它可以徹底否定 Cancri 55 e 擁有熔岩海洋的說法。
“人們可能想知道，當這種行星如此不適宜居住並且與地球如此不同時，為什麼它會如此有趣，”加州理工學院的地質學家、研究合著者弗拉達·斯塔門科維奇說。“但是，為了瞭解類地行星，我們必須以某種方式瞭解它們的化學成分和內部結構，這決定了對生命至關重要的事情，如海洋和大氣層。像 55 Cancri e 這樣部分熔融的行星可以讓我們更多地瞭解它們的內部以及它們是如何形成的。”
斯塔門科維奇補充說：“這些行星很有幫助，但它們是地獄般的，你不會喜歡在那裡生活。”“但是，它們將為有一天瞭解那些行星提供巨大的幫助，如果我們能去那裡，我們就會想坐下來，倒上一杯飲料，欣賞日落。”