英美科研團隊近日利用美國宇航局詹姆斯·韋布空間望遠鏡,對一顆名為 TOI-561 b 的超熱“超級地球”開展長時間觀測,發現這顆巖質系外行星極有可能被致密大氣層包裹,其下覆蓋著全球性的巖漿洋,為“小行星難以保住大氣”的傳統認知提出了嚴峻挑戰。 相關成果已于 2025 年 12 月 11 日發表在《天體物理學快報》上。
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TOI-561 b 的半徑約為地球的 1.4 倍,繞母恒星公轉一周不到 11 小時,屬于極少見的“超短周期系外行星”。 這顆行星圍繞一顆略小且略冷于太陽的恒星運行,但軌道半徑不足一百萬英里,僅約為水星—太陽距離的四十分之一,長期受到強烈輻射轟擊。 在如此近距離上,行星被認為處于潮汐鎖定狀態,一面永遠面對恒星,其白晝面溫度遠高于普通巖石的熔點。
研究團隊指出,TOI-561 b 的整體密度顯著低于“類地組成”模型的預期,這是本次研究的關鍵出發點。 以第一作者、卡內基科學研究所地球與行星實驗室研究員 Johanna Teske 為代表的科學家表示,僅靠較小的鐵核或低密度地幔并不足以解釋觀測數據,行星周圍存在一層富含揮發物的厚大氣層,才是更合理的答案。 更為特別的是,這顆行星圍繞一顆年齡約為太陽兩倍、金屬豐度較低、位于銀河系厚盤區的古老恒星運行,其化學環境與太陽系行星形成時大不相同,可能代表宇宙早期形成行星的一類典型樣本。
為了驗證大氣假說,團隊利用韋布望遠鏡的近紅外光譜儀 NIRSpec,對這顆行星在公轉軌道中“從恒星背后掠過”時的系統亮度變化進行精密測量,從而推算其白晝面的輻射溫度。 如果 TOI-561 b 完全是一塊“裸露巖石”,沒有大氣把熱量輸送到夜面,其白晝面溫度應接近約 4900 華氏度(約 2700 攝氏度),但實際測得的溫度約為 3200 華氏度(約 1800 攝氏度),明顯低于無大氣情形的理論預期。 研究團隊嘗試用巖漿洋內部對流或表層巖石蒸汽薄層來解釋,但僅靠這些機制無法產生如此明顯的降溫效應。
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參與研究的伯明翰大學等機構學者指出,要同時解釋密度偏低和白晝面“異常偏冷”這兩點,就需要一層較厚的、富含揮發性物質的大氣存在。 模型顯示,水蒸氣等氣體可以吸收來自巖漿表面的部分近紅外輻射,使望遠鏡探測到的輻射溫度偏低;同時,強烈的大氣環流可將熱量高效輸送到夜面,進一步拉低白晝面的溫度。 研究人員還認為,明亮的硅酸鹽云層反射恒星光,也可能為大氣降溫貢獻一部分作用。
盡管目前的證據傾向于支持“厚大氣+巖漿洋”的圖景,但一個棘手問題隨之而來:如此靠近恒星、飽受強烈輻射的小型行星,如何在數十億年間保住大量大氣物質? 荷蘭格羅寧根大學的 Tim Lichtenberg 指出,行星內部的巖漿洋與大氣之間可能存在一種微妙的“揮發分平衡”,一方面氣體不斷從深部釋放補給大氣,另一方面大氣中的揮發物又持續被巖漿“溶解”回內部,使系統維持動態穩態。 研究團隊形象地將 TOI-561 b 描述為一個“極其富含揮發物的濕潤熔巖球”。
本次成果來自韋布望遠鏡常規觀測項目 3860,對該行星系統連續觀測超過 37 小時,期間 TOI-561 b 完成了近四個軌道周期。 科學家們正在對完整數據集進行進一步分析,希望繪制出這顆行星由晝到夜的溫度分布,并在未來更精確地推斷其大氣成分。 這一研究不僅為巖質系外行星是否能夠維持大氣提供了關鍵線索,也為理解早期宇宙中行星的形成與演化打開了新的窗口。
編譯自/ScitechDaily
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