詹姆斯·韋伯望遠鏡發現“遠古超級地球”不可能存在的大氣層

天文學家最新觀測顯示，一顆圍繞類太陽恒星超近距離運行的巖質系外行星竟然保留著相對厚重的大氣層，這一結果顛覆了人們對此類行星演化的傳統認知。 這顆名為TOI-561 b的“超級地球”質量約為地球的兩倍，但環境極端，被認為整體被全球性的巖漿海洋所覆蓋。

該研究由卡內基科學研究機構牽頭，基于美國宇航局詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）的觀測成果，是迄今關于巖質系外行星存在大氣層的最有力證據之一。 TOI-561 b圍繞一顆略小且略冷于太陽的恒星，運行軌道距離只相當于水星—太陽距離的約四十分之一，因此公轉周期只有約10.56小時，且一面永遠暴露在恒星強烈輻射之下。

按既有理論，如此體量且極端炙熱的行星在形成后應很快喪失大氣，成為一塊“裸巖”。 然而團隊通過分析韋布望遠鏡的紅外數據發現，這顆行星被一層相當厚的大氣包裹，這與此前對超短周期行星的預期明顯不符。 這層殘留大氣也有助于解釋TOI-561 b異常偏低的平均密度——盡管其為巖質行星，但整體密度比按地球類成分推算的結果要小。

課題負責人之一、卡內基科學的天文學家約翰娜·特斯克指出，團隊在設計觀測計劃時曾考慮到另一種可能解釋：該行星也許擁有體積較小的鐵核，以及由低密度巖石構成的地幔，使整體密度降低。 她強調，TOI-561 b的特殊性還在于其母星屬于銀河系厚盤區域、年齡約為太陽的兩倍且貧鐵，這意味著行星形成時所處的化學環境與太陽系截然不同，可能代表宇宙早期形成行星的一類典型樣本。

不過，僅憑異常的內部成分仍不足以解釋所有觀測現象。 研究團隊由此將重點轉向該行星可能存在的厚重大氣層，并推測正是這層大氣讓行星看起來“更大”，從而使推算出的平均密度偏低。 為驗證這一假設，天文學家利用韋布望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec），通過測量行星在“繞到恒星背后”時系統亮度的變化，推導其日側溫度。

根據理論，如果TOI-561 b是一塊沒有大氣的“裸巖”，無法將熱量輸送至永夜一側，其日側溫度應逼近約4900華氏度（約2700攝氏度）。 實際觀測卻顯示，該行星日側溫度約為3200華氏度（約1800攝氏度），仍然酷熱，卻顯著低于無大氣模型的預測。 研究團隊比較了多種情景：巖漿海本身的熱對流可以在一定程度上傳輸熱量，但若缺乏大氣，背對恒星的一側很可能已經冷卻凝固，限制了熱量向夜側輸運。

另一種假設是行星表面的巖漿海之上存在一層極薄的巖石蒸汽層，不過模型顯示，僅靠這樣一層“蒸汽帽”不足以產生如此顯著的降溫效應。 參與研究的英國伯明翰大學學者安賈利·皮耶特指出，為了完全解釋這些觀測結果，需要一層厚實、富含揮發物的大氣，強風會將日側的熱量輸送到夜側，而如水汽之類的氣體則會吸收部分近紅外波段輻射，使望遠鏡接收到的光通量減少，從而讓行星看起來“更冷”。 她補充說，明亮的硅酸鹽云層也可能通過反射恒星光來進一步冷卻大氣。

在確認大氣存在的同時，另一個關鍵問題隨之而來：如此小而炙熱的行星如何在強烈輻照下保住一層厚重的大氣？ 研究人員認為，雖然部分氣體必然在持續逃逸太空，但逃逸速率可能遠低于原先預期。 來自荷蘭格羅寧根大學的蒂姆·利希滕貝格提出，該行星表面的巖漿海與大氣之間存在一種動態平衡：一方面，氣體不斷從行星內部逸出補充大氣，另一方面巖漿又將部分氣體重新“吸入”星體內部。

從觀測和模型推演看，要維持如此狀態，TOI-561 b必須比地球富含得多的揮發性物質，可被形象地稱為“一顆濕潤的熔巖球”。 特斯克表示，新數據集不僅給出了首批清晰證據，也拋出了比答案更多的新疑問，尤其是關于超短周期巖質行星的形成和長期演化。

此次成果是韋布望遠鏡一般觀測者項目3860的首批科學產出，該項目對TOI-561體系持續觀測逾37小時，期間該行星幾乎完成四圈公轉。 團隊目前正在進一步剖析完整數據，以繪制行星周向溫度分布，并更精確約束其大氣成分。 卡內基地球與行星實驗室的研究者在韋布項目構想初期即深度參與，如今已在該望遠鏡前四個觀測周期中牽頭十余個課題，涉及系外行星大氣、星系形成等多個前沿方向。

卡內基地球與行星實驗室主任邁克爾·沃爾特表示，這些突破與該機構長期在行星演化與動力學領域的積累高度契合，將推動人類對系外行星特性的整體認識。 他預計，隨著更多觀測時間獲批，新一輪由卡內基團隊主導的韋布科學發現將在未來一年陸續涌現。 相關研究論文已發表于《天體物理學快報》，題為《超熱超級地球TOI-561 b上的厚揮發物大氣》，詳細介紹了此次溫度測量、大氣模型與行星內部結構推演的技術細節及結論。

編譯自/ScitechDaily