消逝中的行星：GJ 3470b 大气层正在急剧流失

紫外线下看到的正在消失的世界

对于在紫外光下进行观测的天文学家来说，这个距离我们约96光年、海王星大小的世界看起来更像是一颗彗星，而不是一颗行星。哈勃空间望远镜的光谱揭示了 GJ 3470b 周围存在一个巨大的中性氢云，这些氢气从行星上被吹散并流向太空；这一信号非常强烈，以至于研究人员估计该行星已经损失了相当一部分原始质量，其蒸发速度比目前研究过的任何同类天体都要快。

信号是如何发现的

这一发现源于对 GJ 3470b 凌日现象的重复观测，该行星绕着一颗红矮星宿主恒星运行。作为全波段系外行星库（Panchromatic Comparative Exoplanet Treasury, PanCET）项目的一部分，观测是在氢的莱曼-α线波段进行的。哈勃的数据显示，在凌日期间出现了深层且可重复的吸收：该谱线的蓝翼约为35%，红翼约为23%。这些特征表明，一个巨大的、有结构的中性氢包层已经延伸到了行星的罗氏希瓣之外。通过这些测量，研究小组能够对逃逸物质进行建模，并推断出当前的中性氢流失率约为每秒 10^10 克。

逃逸物理学：加热、辐射压和罗氏极限

近距离行星沐浴在恒星的 X 射线和极紫外辐射（XUV）中。这些能量加热了上层大气，驱动其进入流体动力学流：气体不断膨胀，直到单个粒子逃离行星的引力。对于 GJ 3470b 来说，这一过程被放大了，因为该世界的密度相对较低，且绕着一颗年轻、活跃的 M 型矮星运行，因此恒星的辐射压和高能通量以极高的速度将中性氢推离。结合观测到的恒星照射与粒子动力学的数值模拟，重现了哈勃观察到的吸收特征，并暗示该行星损失物质的速度远快于此前测量的“温和海王星”。

外层大气形状为动力学提供线索

GJ 3470b 的吸收在速度上是不对称的，具有蓝移和红移两个分量。这种模式——延伸的蓝翼表示原子正被加速离开恒星，而红翼则与致密、移动缓慢的气体一致——表明逃逸流中存在多个区域。分析倾向于认为这是一个椭球形、拉长的热层，它可以延伸到行星前方和后方数十个行星半径的距离，并且可能包含一个激波层，即流出的行星气体与恒星风发生碰撞的地方。正是这些几何细节，让天文学家能够从仅仅探测到云团，进而估算出质量损失的历史。

已经流失了多少，未来又将如何

根据对恒星过去活动的合理假设，将推断出的逃逸率进行反推，团队估计 GJ 3470b 在其约20亿年的寿命中，可能已经损失了当前总质量的约 4% 到 35%——如果该恒星在年轻时 XUV 亮度剧增，这个比例可能会更大。如果继续以类似的平均速率流失，该行星可能会在数十亿年内被剥离大部分氢包层，留下一个更小的岩石核心——这一演化路径可能有助于解释为什么在距离恒星很近的地方观测到的海王星大小的行星如此之少。然而，这些计算具有很大的不确定性：质量损失率取决于恒星活动不确定的历史、大气的成分和热结构，以及与恒星风的相互作用。

背景：蒸发荒漠与族群演化

系外行星巡天长期以来注意到，在短轨道距离处，中等大小的行星相对匮乏——这一特征有时被称为“蒸发荒漠”。一种解释是，许多“温和海王星”形成时拥有厚厚的氢/氦包层，但通过持续的大气逃逸，它们被削减成了超级地球和迷你海王星。GJ 3470b 正处于该荒漠的边缘，其剧烈的持续损耗提供了一个正在发生的侵蚀机制的直接观测案例。将 GJ 3470b 与更为人所知的蒸发海王星 GJ 436b 进行比较可以发现，由于密度和宿主恒星活动的差异，相似行星之间的逃逸行为可能大相径庭。

观测挑战及紫外波段的重要性

研究氢逃逸依赖于紫外光谱，这带来了一个主要的观测限制：星际介质会散射和吸收莱曼-α线，因此只有相对较近（大约150光年以内）且视线条件良好的系统才能被观测到。哈勃望远镜的紫外线观测能力因此变得至关重要，而 PanCET 项目的多周期观测方法使得将行星信号与恒星变化及仪器效应区分开来成为可能。补充示踪物（如红外波段看到的氦）绕过了莱曼-α线的一些局限，并且可以通过詹姆斯·韦伯空间望远镜和调谐到氦线的地面光谱仪进行观测；这些观测是重中之重，因为它们可以探测流速较低的区域，帮助完善总质量损失的统计。

待解之谜与后续步骤

尽管哈勃的信号很清晰，但关键的不确定性依然存在。将测量到的中性氢流失率转化为大气总质量流失率，需要对电离平衡以及流出物中带走的较重元素的比例做出假设。恒星的高能演化史——即它年轻时在 XUV 波段的亮度——主导了对累积质量损失的估计，而这只能得到间接的约束。展望未来，天文学家计划进行多波段跟进研究：红外波段的氦搜寻、额外的紫外监测以检查长期稳定性或与恒星活动相关的变化，以及扩大在莱曼-α波段观测到的温和海王星样本的对比调查。这些观测将共同完善蒸发在塑造系外行星族群分布中的作用。

因此，GJ 3470b 既是一个实验室，也是一个预警：在近距离恒星的无情影响下，一个世界可以缓慢地蜕变成完全不同的事物。这种演化过程——混乱、漫长，且在特定视角下清晰可见——可能是许多绕小型活跃恒星运行的行星生命故事中的普遍篇章。

来源

• Astronomy & Astrophysics（研究论文："Hubble PanCET: an extended upper atmosphere of neutral hydrogen around the warm Neptune GJ 3470b"）。
• 约翰斯·霍普金斯大学 / PanCET 关于哈勃观测 GJ 3470b 的新闻材料。
• 空间望远镜研究所（哈勃任务支持及 PanCET 项目文档）。