在浩瀚宇宙中，系外行星的研究始终吸引着科学界的目光。近日，一项发表在《自然》杂志上的研究，为人类了解系外行星大气层的演化提供了新线索。科学家们聚焦于距离地球约50光年的红矮星LHS 1140及其周围行星，特别是对其中的LHS 1140b进行了深入观测，揭示了该行星大气层中氦气流失的独特现象。
LHS 1140是一颗相对暗淡的红矮星，目前已知有两颗行星围绕其运行。其中，LHS 1140b距离恒星较远，公转周期接近25天，尽管其轨道位置比水星距太阳更近，但由于恒星亮度低，它接收到的光照不足地球的一半。这样的条件使得LHS 1140b表面温度有可能维持液态水的存在，为生命的可能性留下了想象空间。
这颗行星的质量约为地球的5.5倍，半径为地球的1.7倍，其构成与类地行星相似，含有大量岩质物质以及相当数量的水或大气层。然而，关于其大气层的具体成分，科学家们此前知之甚少。红矮星频繁爆发释放的高能辐射，以及行星漫长的演化历史，都使得大气层的研究充满挑战。
为了揭开LHS 1140b大气层的神秘面纱，一支由美国研究人员组成的团队利用近红外成像技术，对该行星进行了细致观测。他们选择在LHS 1140b凌星期间进行观测，即行星从恒星前方经过时，部分恒星光会穿过行星大气层，从而携带出大气层的信息。
观测结果显示，在LHS 1140b凌星前后，均出现了氦气信号，且信号范围明显超出行星半径。这一发现令科学家们兴奋不已，因为它表明LHS 1140b的大气层中存在向前延伸的“前导尾”和向后延伸的“拖尾”氦气流。这种现象被解释为恒星高能辐射正在驱动大气氦气持续逃逸的证据。
为了验证这一解释，研究人员借助XMM-Newton X射线成像卫星的观测数据，对恒星的高能辐射进行了测量。估算结果显示，目前氦气的逃逸速率约为每秒10万千克，这一速率与将一个初始质量占行星总质量1.5%的原始大气层耗尽所需的速率相近。考虑到红矮星在早期活动更为剧烈，过去某些时期的大气流失速率很可能还要更高。
氦气流失的现象不仅揭示了LHS 1140b大气层的动态变化，还为科学家们提供了关于大气成分的重要线索。如果大气中仍含有大量氢，氢将吸收大量辐射，起到保护氦气的屏障作用。然而，LHS 1140b大量流失氦气的现象表明，其大气中几乎已不含氢或含量极少。
进一步的分析显示，根据氦气逃逸速率推算，原子质量超过9的元素将无法逃逸出大气层。这意味着连氧和氮的原子态形式都能被留住，而包括氨、甲烷和水在内的各类分子同样会留存于大气中。因此，科学家们描绘出这样一幅图景：LHS 1140b是一颗体积较大的岩质行星，其上层大气富含氦气，未参与反应的氢早已散逸殆尽，而下层可能存在更厚实的大气层，具体成分尚待进一步探索。
这项研究不仅增进了人类对系外行星大气层演化的理解，还引入了“宇宙海岸线”这一有趣概念。它指的是恒星辐射将大气层彻底蒸发、留下无大气岩石星球的边界，与辐射较低且条件有利、能使大气层稳定存在数十亿年的区域之间的分界线。在LHS 1140星系中，这一边界正好划定在LHS 1140c与LHS 1140b之间，为科学家们提供了研究行星大气层演化的天然实验室。
