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)。
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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)。
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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。
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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。
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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/
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