结果让所有人陷入困惑:光谱曲线异常“平坦”,几乎没有任何明显的吸收线。正常情况下,如果大气中有钠、钾等元素,会在光谱上形成尖峰;如果是氢氦为主的气体,也会有特征线条。但GJ 1214 b的光谱像被熨斗烫平了一样,光滑得找不到“指纹”。团队反复检查数据,确认不是仪器故障后,得出一个大胆结论:它的大气太浓厚了!
浓厚到什么程度?想象一下,你在一间充满浓雾的房间里看灯,灯光会变得朦胧,看不到灯泡的细节——GJ 1214 b的大气就像这团浓雾,厚达数百公里,把底层的信息全“遮住”了。天文学家提出了两种可能的“面纱”:
第一种假说:“水世界”。如果GJ 1214 b是一颗全球被海洋覆盖的星球,海洋深度可能达1000公里(地球海洋平均深度4公里),下面是高密度的岩石核。大气主要是水蒸气(高温下呈气态),加上少量氢气和氦气。水蒸气在高空遇冷会凝结成云,形成浓厚的“蒸汽层”,散射所有光线,导致光谱平坦。
第二种假说:“富氢大气”。如果它是一颗类似海王星的“迷你冰巨星”,大气以氢氦为主,但含有大量甲烷、氨气等“温室气体”,这些分子在高空形成均匀的雾霾,同样会抹平光谱特征。
两种假说都有可能,但都无法完全解释观测数据。李默的导师王教授打了个比方:“这就像隔着毛玻璃看人,你知道里面有人,却看不清脸——我们得想办法擦掉玻璃上的雾。”
四、“水世界”的证据链:从密度到温度
尽管光谱模糊,天文学家还是从其他线索中拼凑着GJ 1214 b的模样。首先是密度:1.8克/立方厘米,介于岩石(5克)和气体(0.001克)之间,最符合“水世界”的特征——如果它由水构成,加上少量岩石核,密度刚好能对上。其次是温度:根据恒星光照和行星反射率计算,表面温度约200℃(水在高压下会是液态或超临界流体)。
这个温度很关键。200℃的水不会像地球那样沸腾(因为行星大气压可能是地球的100倍以上),而是处于“热液”状态,像高压锅里的汤。天文学家推测,GJ 1214 b可能拥有“分层海洋”:表层是高温蒸汽(大气的一部分),往下是液态水海洋(含盐分和矿物质),底部是高压冰(水在万倍大气压下会变成冰,像石英一样硬)。这种“冰下海洋”在太阳系里也有(比如木卫二),但GJ 1214 b是全球性的,像个被海洋包裹的“水球”。
更神奇的是它的“温室效应”。如果大气主要是水蒸气,强烈的温室效应会让表面温度升高,进一步维持水的气态-液态循环。李默团队用计算机模拟了这个系统:恒星的红外辐射被水蒸气吸收,热量无法散发,导致海洋表面保持液态,而高空的蒸汽形成云层,反射部分星光——这种“自我调节”让星球温度稳定在200℃左右,像一个天然的“恒温浴缸”。
五、争议与猜想:是海洋还是“蒸汽地狱”?
“水世界”假说虽然迷人,却面临一个致命问题:GJ 1214 b离恒星太近(200万公里),恒星的潮汐力会不会把它“烤干”?红矮星虽然温度低,但近距离照射下,行星大气会被加热到极致。2014年,斯皮策太空望远镜(擅长红外观测)发现,行星的反照率(反射星光的能力)极低,只有10%(地球是30%)——这说明它可能没有明显云层,或者表面被深色物质覆盖。
如果真是“水世界”,200℃的海洋表面应该会有白色水蒸气云(类似地球的积云),反照率不会这么低。于是另一种猜想浮出水面:“蒸汽星球”。即行星大气以氢氦为主,夹杂大量水蒸气,但没有液态海洋——所有水都以气态存在,像一团高温高压的“湿空气”。这种情况下,大气雾霾会更浓厚,反照率更低,符合观测结果。
两种假说的争论持续了十年。2020年,詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)传回新数据:在红外波段,行星光谱出现微弱的水蒸气吸收信号。这似乎支持“水世界”,但又不够强——如果是浓厚氢氦大气,水蒸气信号会被掩盖。李默在论文中写道:“GJ 1214 b像一本被雨水打湿的书,我们只能辨认出零星的字迹,却猜不透整页的内容。”
最浪漫的猜想来自民间天文学家:也许GJ 1214 b根本不是“水世界”或“蒸汽星球”,而是一个“钻石海洋”?在高温高压下,碳元素可能结晶成钻石,漂浮在液态甲烷海洋上——当然,这只是脑洞,目前没有任何证据支持。
六、“小矮人”的馈赠:寻找宜居世界的线索
为什么GJ 1214和GJ 1214 b如此重要?因为它们是“家门口”的实验室。红矮星占宇宙恒星的绝大多数,如果它们普遍拥有行星,那么“水世界”可能比岩石行星更常见。而GJ 1214 b的“模糊大气”,教会了天文学家如何在“信息不全”的情况下推断行星性质——就像通过脚印猜动物,即使看不清全貌,也能排除不可能选项。
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