這顆“地獄行星”竟擁有大氣層……韋布望遠(yuǎn)鏡帶來顛覆認(rèn)知的新發(fā)現(xiàn)

在行星的世界里，有一條被普遍認(rèn)可的“大氣生存法則”：自身引力越強(qiáng)、受宿主恒星輻射越弱的行星，越容易留住大氣；反之，大氣則會(huì)逃逸殆盡。

但2025年12月，詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）團(tuán)隊(duì)在《天體物理學(xué)雜志快報(bào)》(Astrophysical Journal Letters)上發(fā)表的最新研究成果，卻讓這條法則迎來了“例外”——一顆引力與地球相近，但表面承受宿主恒星極強(qiáng)輻射的古老熔巖行星TOI-561b，竟擁有厚重的大氣層。

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡

一顆“本不該有大氣”的極端行星

TOI-561b是太陽系外的一顆行星，距離地球約280光年，于2020年被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)。它是一顆典型的“超短周期行星”——其公轉(zhuǎn)周期還不到11小時(shí)，意味著它在不到11小時(shí)的時(shí)間里就完成一次“年”的循環(huán)。它的半徑是地球的1.4倍，質(zhì)量是地球的2倍，表面引力與地球大致相當(dāng)。

TOI-561b圍繞著一顆形成于約100億年前的宿主恒星（“年齡”差不多是太陽的兩倍）運(yùn)轉(zhuǎn)。這顆宿主恒星屬于“厚盤恒星”，鐵元素含量低而α元素豐富，與太陽系的化學(xué)環(huán)境截然不同。TOI-561b和宿主恒星之間的距離僅約159萬公里——大約是地球和太陽距離的1%。

如此“貼臉”的軌道，讓TOI-561b始終以同一面朝向恒星，形成了“永晝面”和“永夜面”，這種現(xiàn)象被稱為“潮汐鎖定”。也正因如此，TOI-561b表面承受的輻射強(qiáng)度高達(dá)地球的數(shù)千倍，其永晝面溫度遠(yuǎn)超普通巖石的熔點(diǎn)，成了名副其實(shí)的“熔巖世界”。

按照傳統(tǒng)理論，以TOI-561b的表面引力條件，在強(qiáng)烈的恒星輻射下，它的大氣層本應(yīng)早已被完全剝離，成為一顆裸露的巖石行星。

韋布望遠(yuǎn)鏡捕捉大氣的關(guān)鍵證據(jù)

為了驗(yàn)證這顆行星的真實(shí)面貌，研究團(tuán)隊(duì)利用韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec），在3～5微米的波段對(duì)TOI-561b進(jìn)行了4次連續(xù)的“次食觀測(cè)”——也就是通過記錄行星運(yùn)行到恒星后方時(shí)的總體輻射強(qiáng)度變化，來推算行星的物理參數(shù)。

如果沒有大氣，其永晝面會(huì)被恒星炙烤到約3000開爾文，熱輻射信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)出“裸露巖石”的特征。但觀測(cè)結(jié)果顯示，TOI-561b的永晝面溫度比預(yù)期低了上千開爾文，僅在1800～2150開爾文之間。

TOI-561b的藝術(shù)圖（圖片來源：NASA）

這就好比滾燙的石頭上鋪了一層隔熱毯——只有濃厚的大氣才能起到這樣的作用。大氣環(huán)流將永晝面的熱量傳遞到永夜面，同時(shí)利用自身的不透明特性，減少熱量的直接輻射散失。

為了確保結(jié)果可靠，團(tuán)隊(duì)使用了兩種不同的數(shù)據(jù)處理流程，最終得到的觀測(cè)結(jié)果高度一致，證實(shí)了大氣存在的真實(shí)性。

巖漿海洋或?yàn)椤把a(bǔ)給站”

雖然確定了大氣的存在，但它的具體成分仍然是個(gè)謎。

研究團(tuán)隊(duì)通過理論模型模擬了多種可能的大氣組成，發(fā)現(xiàn)富含揮發(fā)物（如純水蒸氣、少量水蒸氣與大量氧氣的混合體）的模型能很好地匹配觀測(cè)數(shù)據(jù)，而富含二氧化碳的模型則與實(shí)測(cè)光譜不符。不過由于觀測(cè)波段的限制，目前還無法明確探測(cè)到具體的分子特征。

科學(xué)家們推測(cè)，這層大氣可能來自行星內(nèi)部的巖漿海洋。

太陽系中的每一顆行星都曾經(jīng)歷過熔融階段，TOI-561b相當(dāng)于保留了行星形成初期的“原始狀態(tài)”。巖漿海洋中可能溶解了大量揮發(fā)物，這些物質(zhì)通過火山噴發(fā)等方式持續(xù)釋放到地表，形成了次生大氣；同時(shí)，巖漿海洋本身也可能成為揮發(fā)物的“儲(chǔ)存庫”，不斷補(bǔ)給大氣中逃逸的部分，讓它能在數(shù)十億年的極端環(huán)境中留存下來。

上述推測(cè)也得到了行星密度數(shù)據(jù)的支持。TOI-561b的低密度（4.3克/立方厘米）意味著它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可能是純粹的巖石和鐵核，必須存在一層低密度的揮發(fā)物“包裹層”，而大氣正是這層包裹層的一部分。

TOI-561b圍繞其宿主恒星公轉(zhuǎn)的藝術(shù)圖（圖片來源：NASA）

改寫行星演化認(rèn)知——

“宇宙海岸線”并非絕對(duì)

此前，天文學(xué)家基于太陽系行星的特征，提出了一條“宇宙海岸線”法則：行星能否保留大氣，取決于它的逃逸速度與接收的恒星輻射量這兩個(gè)核心參數(shù)——逃逸速度低（自身引力弱）、接收恒星輻射量高的行星，必然會(huì)失去大氣。但TOI-561b的逃逸速度與地球相當(dāng)、承受了遠(yuǎn)超地球的恒星輻射，卻依然擁有厚重大氣，這直接挑戰(zhàn)了這一法則的普適性。

“宇宙海岸線”（圖片來源：The Astrophysical Journal Letters）

這說明行星保留大氣的能力，可能比以往的理論模型預(yù)測(cè)更復(fù)雜。

巖漿海洋與大氣的相互作用、行星內(nèi)部的揮發(fā)物儲(chǔ)備、大氣成分的分子重量等因素，都可能影響大氣的留存時(shí)間。

這一發(fā)現(xiàn)也為研究巖石行星的大氣起源提供了新的視角：地球早期的大氣是否也來自巖漿海洋的釋放？不同化學(xué)環(huán)境的恒星系統(tǒng)，行星大氣的演化路徑是否存在差異？

未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對(duì)TOI-561b進(jìn)行更全面的觀測(cè)，進(jìn)一步分析其大氣的溫度分布和環(huán)流情況，同時(shí)尋找更多類似的極端行星，探索揮發(fā)物大氣在超短周期行星中的普遍性。這也正是天文學(xué)的迷人之處——不斷打破常識(shí)，刷新我們對(duì)宇宙的認(rèn)知。

來源：世界科學(xué)

編輯：楊樂多

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