被拉成“檸檬”的行星

被拉成“檸檬”的行星

這幅藝術概念圖展示了名為 PSR J2322-2650b 的系外行星（左）可能的外觀：它繞著一顆快速自轉的中子星——脈沖星（右）運行。由于這顆質量遠大于行星的脈沖星的引力作用，這顆木星質量的行星被拉伸成一種怪異的檸檬形。

圖源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

科學家利用NASA的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）觀測到了一種此前未知的系外行星類型——其大氣性質挑戰了當前行星的形成理論。

這顆新觀測到的天體呈細長的檸檬狀，甚至可能在內部深處含有鉆石。它的奇特特征使其難以歸類，介于天文學家通常所認為的行星與恒星之間。

前所未有的“碳世界”

這一天體的正式名稱為 PSR J2322-2650b，其大氣層主要由氦和碳組成，而不是多數已知系外行星中常見的氣體。它的質量與木星相當，行星外層被黑暗、類似煙塵的云層籠罩。在行星內部極端高壓之下，科學家認為這些云中的碳可能被壓縮成鉆石。該行星圍繞一顆快速自轉的中子星運行。

盡管已有細致觀測，這顆行星究竟如何形成仍是未知數。“這顆行星繞著一顆完全怪異的恒星運行——質量相當于太陽，但大小卻只有一座城市那么大，”芝加哥大學天體物理學家邁克爾·張（Michael Zhang）說。他是這項研究的首席研究者，論文已被《天體物理學報通訊》接收發表?！斑@是此前從未見過的一種新型行星大氣。”

“這完全出乎意料，”華盛頓特區卡內基地球與行星實驗室的彼得·高（Peter Gao）說?！拔矣浀脭祿螺d之后，我們所有人的反應都是：‘這到底是什么鬼？’”

一顆繞脈沖星運行的行星

PSR J2322-2650b 繞行的母星是一顆中子星，也稱為脈沖星，其自轉速度快得驚人。脈沖星會從磁極以毫秒級的間隔發射強大的電磁輻射束。其中大部分輻射以伽馬射線及其他高能粒子的形式存在，這些輻射無法被韋布的紅外儀器探測到。

由于這顆恒星本身不會使韋布的探測器過載，研究人員得以在行星整個軌道周期內持續觀測它。這種情況非常罕見，因為多數恒星的亮度遠遠超過其周圍的行星。

“這個系統很獨特，因為我們能夠看到行星被其母星照亮，但幾乎完全看不到母星本身，”參與建立行星形狀與軌道模型的斯坦福大學研究生瑪雅·貝萊茲奈（Maya Beleznay）說?！耙虼宋覀儷@得了非常純凈的光譜，也能比研究普通系外行星更深入地分析這個系統?！?/p>

令人震驚的大氣發現

當科學家分析這顆行星的大氣光譜特征時，發現了完全出乎意料的結果。“我們沒有看到通常期望在系外行星上出現的分子——比如水、甲烷和二氧化碳——而是看到了分子碳，具體來說是 C? 和 C?，”張說。

行星內部的極端壓力可能使這些碳發生結晶，從而在表面之下深處形成鉆石。然而，最令人費解的問題仍未解開：“很難想象你怎么會得到如此極端的富碳成分，”張說?！斑@似乎排除了所有已知的形成機制。”

致命“擁抱”中的行星

PSR J2322-2650b 距離母星異常之近，僅約 160 萬公里。相比之下，地球距離太陽約 1.6 億公里。由于距離極近，這顆行星只需 7.8 小時就能完成一周公轉。

研究人員通過建模行星在運動過程中亮度的細微變化，推斷出質量遠大于行星的脈沖星施加的強烈引力正在把行星拉伸成檸檬狀。

該系統可能屬于一種罕見類型——“黑寡婦”系統。在這類系統中，一顆高速自轉的脈沖星與一個更小、低質量的伴星配對。在早期階段，伴星的物質會流向脈沖星，增加其自轉速度，并驅動強大的粒子風。該粒子風再加上強烈輻射，會逐漸剝離較小天體的物質。

就像其名稱所指的蜘蛛一樣，脈沖星會慢慢“吞噬”它的伴侶。但在這個案例中，這個伴星被國際天文學聯合會（IAU）歸類為系外行星，而不是恒星。

“這東西是像正常行星那樣形成的嗎？不是，因為它的成分完全不同，”張說?！八峭ㄟ^剝離一顆恒星的外層形成的嗎——就像‘典型’黑寡婦系統那樣？可能也不是，因為核物理過程不會產生純碳?！?/p>

科學家迫切想解開的謎題

斯坦福大學及卡夫利粒子天體物理與宇宙學研究所的羅杰·羅馬尼（Roger Romani）是全球研究黑寡婦系統的頂尖專家之一。他提出了一種關于該行星奇特大氣的可能解釋。

“當伴星冷卻時，內部的碳和氧混合物開始結晶，”羅馬尼說?！凹兲季w會浮到上層并混入氦中，這就是我們觀測到的成分。但隨后還必須發生某些過程，才能把氧和氮排除在外——而這正是爭議所在?！?/p>

“不過，不是什么都知道也挺好，”羅馬尼補充道。“我期待進一步了解這種大氣的怪異之處。能有一個值得探求的謎題是非常棒的。”

為什么韋布望遠鏡是關鍵

這項發現之所以成為可能，得益于詹姆斯·韋布空間望遠鏡對紅外信號的高靈敏度以及其獨特的觀測條件。韋布位于距離地球約 160 萬公里的位置，并使用巨大的遮陽板讓儀器保持極低溫度，這對探測微弱的紅外信號至關重要。

“在地球上，很多東西都是熱的，而熱量會嚴重干擾觀測，因為那也是你必須處理的光子來源，”張說?！皬牡孛嬗^測絕對不可行?！?/p>

來源：牧夫天文

編輯：77

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