韋伯太空望遠鏡觀測 LHS 3844 b 岩石行星表層呈月球或水星狀態

一顆臨近的「超級地球」正為科學家提供難得機會，讓他們直接目睹一顆遙遠岩石行星裸露的表面，而它與地球的相似之處比比皆是。這顆行星名為 LHS 3844 b，最新的觀測顯示，它是一個半熱、黑暗、沒有大氣層裝飾的世界，表面成分和地質狀態更接近月球或水星，而非類地行星。研究團隊利用美國國家航空航天局（NASA）詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）上的中紅外儀器（MIRI），對這顆行星的日面進行了精細觀測。

研究由曾在德國海德堡馬克斯·普朗克天文學研究所（MPIA）攻讀博士的塞巴斯蒂安·琴格領導，MPIA 所長、項目首席研究員勞拉·克雷格參與其中。相較以往主要聚焦系外行星大氣，這項工作進一步將研究前沿推向「系外行星地質學」——嘗試直接約束太陽系外岩石行星的表面組成與演化歷史。相關結果發表於《天體·天文學》期刊。

LHS 3844 b 的關鍵規格

LHS 3844 b 是一顆岩石行星，環繞一顆紅矮恆星極近距離運行，由於軌道極其緊密，導致行星處於潮汐鎖定狀態，一面永遠朝向恆星炙烤，另一面則長期處於黑暗之中。其日面溫度高達約 1000 開爾文（約 725 攝氏度），整個行星系統距離地球約 48.5 光年。得益於韋伯望遠鏡超高靈敏度，科學家得以直接測量來自這顆岩石行星表面的熱輻射。「我們看到的是塊黑暗、炙熱、粗糙的岩石，完全沒有任何可探測的大氣，」克雷格如是形容觀測結果。

由於望遠鏡無法直接分辨行星圓面，研究人員採用「次級食」和「相位曲線」技術，透過追蹤整個系統總亮度隨軌道變化的微弱起伏，反演行星日面發出的紅外輻射。MIRI 在 5–12 微米波段對系統進行觀測，並將此波段進一步切割為更細子波段，從而獲取行星日面輻射的中紅外光譜分佈。團隊還將先前皮膚太空望遠鏡的數據納入分析，以提升光譜擬合的穩定性。 透過對比不同波長處的亮度與理論模型，科學家得以檢驗多種潛在的表面物質組成，從地球花崗岩地殼到月球式玄武岩和火星熔岩等。

計算結果明確排除了類似地球大陸地殼的表面場景。地球的富含矽氧花崗岩地殼通常透過漫長的板塊構造和岩漿再循環形成，往往需要液態水參與，反覆的熔融與分異使輕質礦物逐漸浮至表層。琴格指出，LHS 3844 b 的光譜看不見這種富含矽氧、花崗岩地殼的跡象，這意味著地球式板塊構造要麼在這顆行星上未曾發生，要麼早已停止且難以發作。這也間接顯示該行星總體可用水分含量極低，與真正意義上的「類地行星」存在本質差異。

與之相反，觀測更支持一個「玄武岩主導」的表面場景。數據最符合的模型是大面積由火星熔岩快速固形成玄武岩類似地球上廣袤的玄武岩平原，或月球上的「月海」。這類岩石通常富含鎂和鐵，含有如橄欖石在內的多種鐵鎂矽酸鹽礦物。擬合顯示，相對於粗糙的岩石或礫石層，同樣可以很好匹配觀測，而單一由細粉塵構成的表面則過於明亮，與當前觀測不符。 由於缺乏大氣屏障，LHS 3844 b 的表面完全暴露在母恆星輻射和流星體撞擊之下，長期遭受所謂「太空風化」作用。

這些過程會逐漸將堅硬岩石破碎成類似月球風化層的細小顆粒，並在其表面富集鐵和矽，使物質變得更暗、更吸熱。琴格指出，正是這種風化後的暗色風化層，使得行星表面的整體光學和紅外性質與觀測結果更為一致。基於現有數據，團隊提出了兩種可能的表面演化場景。第一種是行星表面廣泛覆蓋相對「年輕」的玄武岩，顯示近期或持續火山活動不斷向表面輸送新鮮熔岩。第二種則是長期太空風化主導的「老朽」表面：曾經的岩漿平原在億萬年間被輻射和撞擊反覆加工，如同月球或水星那樣被厚厚的暗色風化層覆蓋。

從光譜形態看，這後一種「長期靜默」的場景與觀測更相符。要區分這兩種場景，一個關鍵指標是行星上是否存正在進行火山活動。在許多地質活躍天體上，火山會釋放大量氣體，其中二氧化硫（SO₂）是典型的示蹊物之一。如果 LHS 3844 b 仍有強烈的當代火山活動，MIRI 理論上應能在中紅外光譜中辨識出 SO₂ 的特徵吸收。然而，觀測並未發現這類特徵，這使近期火山活動的可能性大大降低，反而支持其表面已長期「冬眠」的解釋，從而在一定程度上更接近水星。

為了進一步釐清這顆行星的真實面貌，研究團隊已規劃更多後續 JWST 觀測。其中一項關鍵工作是測量行星表面在不同視角下的熱輻射與反射特性，透過光的散射方式來區分粗糙岩石面與相對平滑或鬆散的物質。這類技術已在太陽系小行星研究中取得成功，如今被移植到系外行星領域，有望讓科學家判定 LHS 3844 b 的表層織理是整塊岩石殼、熔岩平原，還是厚實的粉塵與碎塊堆積。

克雷格表示，團隊有信心利用同樣方法，不僅揭曉 LHS 3844 b 的地質性質，也為未來更多岩石系外行星提供「表面級」信息。本次使用的 JWST 觀測來自編號為 1846 的一般觀測項目，標題為「在炙熱岩石系外行星 LHS 3844 b 上尋找火山和地球動力學跡象」，由其領導任首席科學家、任聯席首席。參與本次研究的機構遍佈美國、德國、中國等，多國，包括哈佛-史密森天體物理中心、加州理工學院、氣候推動實驗室、北京大學、賓夕法尼亞州立大學、NASA 戈達德太空飛行中心以及多所歐洲高校和研究機構。

負責本次觀測的 MIRI 儀器由歐洲多國組成的聯合團隊研製，成員包括比利時、丹麥、法國、德國、愛爾蘭、荷蘭、西班牙、瑞士、瑞典和英國等國，相關工作在各國國家科研機構資助下開展。在德國，主要資助方為馬克斯·普朗克學會和德國航空航天中心，參與單位包括海德堡的馬克斯·普朗克天文學研究所、科隆大學以及萊茵金屬公司等。 作為當今最重要的太空天文設施之一，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡由 NASA 主導，歐洲太空局和加拿大太空局共同參與，致力於在宇宙早期星系形成、恆星與行星誕生，以及系外行星大氣與表面性質等領先領域

開闢新視窗。在此之前，斯皮策太空望遠鏡已透過紅外觀測為系外行星研究奠定基礎，其相關項目由加州理工學院氣候推動實驗室受 NASA 委託運營。