一顆奇奇怪怪的行星 大氣成分前所未見

科學(xué)家利用詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到一種罕見的系外行星，其大氣成分以氦和碳為主，挑戰(zhàn)了我們對(duì)其形成方式的理解。

這顆系外行星編號(hào)為 PSR J2322-2650b，根據(jù)編號(hào)規(guī)則，其母星為 PSR J2322-2650，很顯然，那不是一顆普通的恒星，甚至嚴(yán)格說來不能稱為恒星，而是一顆恒星死后的殘骸——中子星。它亦是一顆毫秒脈沖星，以 3.5 毫秒為周期飛速旋轉(zhuǎn)。PSR J2322-2650 距離地球約 750 光年，是在 2011 年 5 月被澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡（Parkes）發(fā)現(xiàn)的。同時(shí)，脈沖信號(hào)中還顯示出一個(gè)約 7.75 小時(shí)的規(guī)律性變化，暗示其擁有一個(gè)質(zhì)量最小為木星 0.8 倍的伴星。這事實(shí)上構(gòu)成了一個(gè)特殊的脈沖星雙星系統(tǒng)——黑寡婦脈沖星——指伴星質(zhì)量小于 0.1 倍太陽質(zhì)量，公轉(zhuǎn)周期小于 1 天的毫秒脈沖星系統(tǒng)。

PSR J2322-2650 系統(tǒng)藝術(shù)想象畫。（來源：NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford）

前期的觀測(cè)表明，PSR J2322-2650 的伴星不是一顆恒星或白矮星，而是擁有熱木星的典型特征——質(zhì)量和密度密度接近木星、距離木星很近、溫度極高。在已知的6000顆系外行星中，只有少數(shù)脈沖星擁有行星，而圍繞脈沖星運(yùn)行的氣態(tài)巨行星，這還是唯一一顆。作為一顆毫秒脈沖星，PSR J2322-2650 很小很暗，我們不可見，而它能將外圍的行星 PSR J2322-2650b 照亮。這對(duì)通過紅外線進(jìn)行觀測(cè)的詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡而言是個(gè)絕佳的組合。沒有了明亮的恒星遮擋，科學(xué)家們可以在整個(gè)軌道上研究這顆行星的細(xì)節(jié)。

PSR J2322-2650b藝術(shù)想象畫。行星因?yàn)榫嚯x母星過近而被拉扯成檸檬狀。（來源：NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford）

天文學(xué)家觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)木星質(zhì)量的物體擁有一個(gè)濃密的大氣層，然而，大氣成分以氦和碳為主，這是從未見過的。在我們太陽系，像木星、土星這樣的氣態(tài)行星，大氣的主要成分是氫和氦，雖然也有少量的碳，但主要出現(xiàn)在大氣的深處。但是碳的來源被認(rèn)為可能是甲烷，因?yàn)槟拘莾?nèi)部的高溫和高壓將甲烷分子“撕碎”，從而釋放出自由的碳原子。（說句題外話，這也是木星內(nèi)部所謂“鉆石雨”這種說法的由來。但是這樣簡(jiǎn)單粗暴的比喻并不準(zhǔn)確。）而出現(xiàn)在 PSR J2322-2650b 行星大氣中的碳主要是 C3 和 C2 形式的分子碳。

詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到 PSR J2322-2650b 晝半球中C3的光譜吸收線。（來源：Michael Zhang et al. 2025）

分子碳是非常不尋常的，因?yàn)?PSR J2322-2650b 離母星非常近，只有160萬公里遠(yuǎn)。白天最熱達(dá) 2300 ℃，夜間溫度也在 900 ℃ 以上。在這樣的溫度下，如果大氣中有任何其他類型的原子，碳很容易就會(huì)與它們結(jié)合。通常理解，只有在幾乎無氧無氮的情況下，碳分子才能占主導(dǎo)地位。在天文學(xué)家所了解的太陽系內(nèi)外大約 150 顆行星的大氣中，沒有任何其他行星被檢測(cè)出分子碳。

PSR J2322-2650 系統(tǒng)藝術(shù)想象畫。（來源：NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford）

這樣特殊的天體是如何形成的呢？天文學(xué)家試圖從“黑寡婦脈沖星”角度進(jìn)行解釋。黑寡婦系統(tǒng)是一種罕見的雙系統(tǒng)，由一顆快速旋轉(zhuǎn)的中子星（脈沖星）與一顆低質(zhì)量且近距離的伴星組合而成。來自伴星的物質(zhì)會(huì)源源不斷流入中子星，導(dǎo)致中子星旋轉(zhuǎn)加快，并吹出強(qiáng)勁的星風(fēng)。然后，星風(fēng)與輻射會(huì)轟擊并蒸發(fā)小而可憐的伴星。脈沖星慢慢地吞噬它不幸的小伙伴，就像蜘蛛世界里令人膽寒的“黑寡婦”。研究人員猜測(cè)，原本這顆氣態(tài)巨行星還要大得多熱得多，然而其大氣層在漫長的歲月中被持續(xù)剝離。隨著行星冷卻下來，內(nèi)部的碳和氧的混合物開始結(jié)晶，純碳晶體浮到頂部，與氦混合。但是，這一過程中如何將氧和氮排除出去呢？科學(xué)家還沒找到合理的解釋。

參考資料

[1] Michael Zhang et al. A carbon-rich atmosphere on a windy pulsar planet (https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.04558)

[2] https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-observes-exoplanet-whose-composition-defies-explanation/