可观测Universe 第29章 GJ 1214b

GJ 1214b（系外行星）

· 描述：一个可能的“水世界”

· 身份：围绕红矮星GJ 1214运行的系外行星，距离地球约42光年

· 关键事实：被认为是一个全球被深海覆盖的行星，可能没有传统陆地，大气层厚实且富含水蒸气。

GJ 1214b：宇宙中的“水世界”——42光年外的超级海洋行星（第一篇）

引言：当我们寻找“另一个地球”时，遇到了“另一个海洋”

2009年的一个深夜，美国亚利桑那州弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台的望远镜捕捉到一道微弱的信号：红矮星GJ 1214的亮度突然下降了0.01%，持续1.5小时后恢复正常。这不是一次偶然的“恒星眨眼”——它是系外行星凌星的标志，意味着一颗行星从恒星前方掠过，挡住了部分光线。

天文学家们没有想到，这个看似普通的凌星信号，会指向宇宙中最特殊的行星之一：GJ 1214b——一颗比地球大2.7倍、质量重6.5倍，却被全球数百公里深海洋覆盖的“水世界”。它的发现，不仅打破了“类地行星=岩石行星”的固有认知，更让我们第一次真切触摸到“宇宙中的海洋”是什么样子。

本文将从发现历程切入，拆解GJ 1214b的“水之密码”：它的轨道为何紧邻红矮星？它的密度为何低到“不像地球”？它的大气层与表面，藏着怎样的“海洋史诗”？这是一场对“超级地球”的重新定义，更是一次对“宜居性”的终极追问——没有陆地的星球，能孕育生命吗？

第一章 发现之旅：从凌星信号到“水世界”候选

GJ 1214b的故事，始于一个专门“狩猎”红矮星行星的项目——MEarth（Mountain Eclipse and Transit Research）。

1.1 MEarth项目的“小望远镜大目标”：为什么盯着红矮星？

MEarth由哈佛-史密森天体物理中心（CfA）于2008年启动，核心目标是寻找围绕红矮星运行的凌星行星。为什么选择红矮星？答案藏在两个关键事实里：

红矮星是宇宙的“多数派”：占银河系恒星总数的70%以上，是离地球最近的恒星类型（比如比邻星就是红矮星）；

红矮星的宜居带更“近”：红矮星表面温度低（约3000K，仅为太阳的50%），行星需要更靠近恒星才能保持液态水——轨道半长轴通常小于0.2天文单位（AU，日地距离），这使得凌星信号的“亮度下降”更明显，更容易被检测到。

MEarth项目用8台0.4米望远镜，分别部署在亚利桑那州和智利的天文台，专门“盯着”附近的红矮星，寻找凌星时恒星亮度的微小波动。

1.2 2009年的“0.01%下降”：GJ 1214b的第一次亮相

2009年4月，MEarth的望远镜观测到GJ 1214（一颗位于蛇夫座的M型红矮星，质量为太阳的0.3倍，半径为0.3倍，温度3000K）的亮度突然下降了0.01%。这个信号持续了1.5小时，随后恢复正常——典型的凌星特征！

天文学家立刻启动后续观测：连续数周跟踪GJ 1214，确认亮度下降的周期性——每38小时出现一次。这意味着，GJ 1214周围有一颗轨道周期38小时的行星，距离恒星仅0.014 AU（约210万公里，仅为日地距离的1.4%）。

1.3 径向速度法“称重”：排除气态巨行星，锁定“超级地球”

为了确认这颗行星的性质，天文学家用径向速度法（测量恒星因行星引力摆动的多普勒位移）计算其质量。他们用凯克望远镜的高分辨率光谱仪，捕捉GJ 1214的光谱线位移，最终得出：

行星质量约为6.5倍地球质量（M⊕）；

轨道半长轴0.014 AU；

轨道偏心率极低（≈0），说明轨道接近圆形。

这个质量数据至关重要：如果是一颗气态巨行星（如海王星，质量17 M⊕），径向速度变化会更剧烈；而6.5 M⊕的质量，结合后续的密度计算，指向了一个更“特殊”的结论——这颗行星主要由水组成。

第二章 基本画像：比地球大，比地球“湿”

GJ 1214b的“基本参数”，彻底颠覆了我们对“超级地球”的认知。

2.1 轨道：紧邻红矮星的“宜居带内侧”

GJ 1214的宜居带（温度允许液态水存在的区域）计算显示，其内侧边界约为0.012 AU，外侧边界约为0.02 AU。GJ 1214b的轨道（0.014 AU）正好卡在宜居带内侧——距离恒星足够近，能保持液态水，又不会因太热而蒸发殆尽。

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