宜居带+超级地球+大气，迄今最像地球的系外行星出现了？

一颗太阳系外的行星，距离地球约 50 光年，质量为地球的 5.6 倍，拥有固态表面，处在其母星的宜居带内，并且，它还拥有一个大气层。听上去是不是很让人浮想联翩？它会不会是我们梦寐以求的“地球2.0”呢？甚至有没有生命已经在上面落脚？

太阳地球CP难寻觅

人们通常把形同地球的系外行星称之为“地球2.0”。对生命而言是最完美的星球应该是什么样？就我们的经验来看，只能是“太阳-地球”这对CP——太阳大小的恒星 + 地球大小的行星 + 地球到太阳的距离。然而，即便我们现在已经发现了超过 6000 颗系外行星，却连一个类似“太阳-地球”的组合都没有。有一颗编号为开普勒452b的系外行星，因其十分接近“地球2.0”而名噪一时，但是后来又有研究认为它是假信号，目前它处在“嫌疑”名单上。日前，又有一颗行星走入大家的视野，甚至被很多媒体渲染成“很有希望”的目标。

开普勒452系统曾被认为是最接近太阳-地球组合的系外行星系统（来源：NASA/水兄）

宜居带内的固态行星

LHS 1140 b，一颗位于鲸鱼座的系外行星，距离地球约 48.8 光年。这个距离在宇宙尺度上是非常近的，属于“近邻”。这颗行星是由 MEarth 项目在2017年发现的。它的直径是地球的 1.73 倍，质量为地球的 5.6 倍，属于标准的“超级地球”。根据这两个参数不难算出它的密度约为 5.9 g/cm³，十分接近地球。这表明，它应该也是一个固态行星，大概率也拥有一个铁核，说不定也有海洋和大气。它距离母星，也就是它的“太阳”，只有 0.095 天文单位，相当于水星到太阳的 1/4，地球到太阳的 1%，公转一圈只需要 24.7 天。不过，它的母星 LHS 1140 是一颗质量不到太阳 20% 的红矮星，表面温度只有仅约 3000 ℃，因此，你别看 LHS 1140 b 离恒星很近，但它却很安全，甚至，处在可能允许水以液态形式存在的“宜居带”内！

LHS 1140 系统中的两颗行星与地球比较（来源：Martin Vargic / Halcyon Maps）

确认大气层

宜居带内的固态行星，这已经让人很容易联想到地球了。不过，地球之所以适合生命，还有一个重要的条件——合适的大气层。但是，由于系外行星距离遥远，固态行星通常又很小，大气也很薄，探测难度相当大，迄今几乎没有能够得到确认的。

日前，由哈佛大学柯林·切鲁宾（Collin Cherubim）等人组成的团队宣布，通过对系外行星 LHS 1140 b 红外光谱分析，发现有氦气正在逃逸！这相当于直接给出了这颗行星拥有大气的判定。

LHS 1140 b 的艺术想象画（来源Melissa Weiss/Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian）

当年 LHS 1140 b 就是通过凌星法发现的——当行星经过恒星前方会使得恒星亮度下降。如果行星拥有大气，那么恒星光在经过行星大气时会被吸收一部分，不仅仅是光线会减弱，而是行星大气中的成分会吸收掉特定能量的光，从而在恒星光谱上增加一条或数条吸收线，这就是侦测系外行星大气的最有效方法之一。团队使用了拉斯坎帕纳斯天文台（Las Campanas Observatory）麦哲伦-克莱望远镜（Magellan Clay telescope）上的红外光谱仪，专门选择 LHS 1140 b 从恒星前经过的时间进行观测。

2024 年 9 月 23 日晚，巧合的是，LHS 1140 b 和系统中的另一颗固态行星 LHS 1140 c 先后发生了凌星。研究团队观测了 6.5 个小时，覆盖了每个行星的完整凌星过程，从而有了充分的对照依据。结果，在恒星光谱 1.0833 微米处出现了明显的吸收线，对应于氦原子。高层大气中的氦原子受到恒星X射线和极紫外辐射（XUV）激发后，进入一种特殊的亚稳态，可以产生明显吸收信号。据此可以判断，LHS 1140 b 的高层大气正在膨胀，并有气体向太空逃逸。

2024年的观测中氦吸收线随时间的变化（来源：Collin Cherubim et al. 2026）

好消息还是坏消息？

能够检测到氦的吸收线，至少能说明行星存在大气，但是大概率是存在高层大气逃逸的现象。这好像不是太好的消息。相似的情况在太阳系中也是存在的，那就是火星。包括美国的“专家”号、阿联酋的“希望”号探测器均已确认了火星大气不断逃逸的事实。水（H₂O） → 紫外线分解 → 氢逃逸 → 行星逐渐失水，这正是火星在过去几十亿年里持续上演的剧本。不过在 50 光年外的 LHS 1140 b 身上，逃逸的气体不是氢，而是氦。

如何解释这种反常的现象呢？研究人员认为 LHS 1140 是一个年龄不低于 30 亿年，有可能超过 50 亿年的成熟红矮星，因此 LHS 1140 b 经历了长期的大气逃逸和分馏过程。较轻的氢优先逃逸，而较重的元素残留下来，最终形成一种氦主导的大气逃逸层。

那么会不会担心它跟火星一样，水已经被分解得差不多了呢？或许不必过于悲观，毕竟 LHS 1140 b 是一个质量超过地球 5 倍的“超级地球”，其引力应当比火星强出不少，更有利于抓住更重的分子。现在检测到氦的逃逸层，或许反而能说明它拥有一个厚实的大气。

总结一下

系外行星 LHS 1140 b 上发现了氦原子的逃逸，这是第一次确认了一颗宜居带内固态行星拥有大气。虽然发现大气不等于发现生命，但考虑到其质量和年龄，即便目前尚无法确认是否拥有液态水，也几乎能让它成为截至目前“最有希望适合生命的系外行星”。倘若未来再能凑上“液态水”这一要素，说不定 LHS 1140 b 会让地球人陷入疯狂。

参考资料

[1] Collin Cherubim et al. Helium escaping from the atmosphere of a nearby rocky exoplanet orbiting in a habitable zone. Science 10.1126/science.aea9708 (2026)

[2] Adam Kovac. A super-Earth exoplanet’s leaking helium could be evidence of a complex atmosphere (https://www.scientificamerican.com/article/a-super-earth-exoplanets-leaking-helium-could-be-evidence-of-a-complex-atmosphere/)