韦伯望远镜改变了我们对亚海王星的认知：小型、高温、富含气体

亚海王星是比气态巨行星更小、温度比热木星更低的行星，长期以来一直是天文学家难以捉摸的目标。尽管亚海王星是银河系中最常见的系外行星类型，但它们并不存在于我们的太阳系中，直到最近，我们对它们的了解也非常有限。它们相对较小的体积和较低的温度使得它们的研究尤为困难——至少在更棘手的是，大多数亚海王星都被厚厚的云层或雾霾所笼罩，遮挡了大气的化学特征。

但这正是最近对TOI-421 b的观测如此激动人心的原因。借助韦伯望远镜强大的仪器，科学家们终于能够穿透这层雾霾，揭示这颗行星的大气成分。

这些发现提出了一些重大问题：TOI-421 b 的形成过程与我们之前研究过的较冷的亚海王星是否不同？它是否代表着一类全新的高温、无雾霾的亚海王星？又或者，我们只是刚刚开始探索太阳系外行星的惊人多样性？多亏了韦伯太空望远镜，研究人员现在比以往任何时候都更接近答案。

这幅艺术概念图展示了炽热的亚海王星系外行星TOI-421 b的可能形态。TOI-421 b位于天兔座，绕一颗距离地球约244光年的类太阳恒星运行。这颗行星的大小、质量和密度介于地球和海王星之间，其恒星比太阳略小且温度更低。然而，由于这颗行星的轨道极其靠近恒星（仅0.056个天文单位，相当于地球与太阳距离的5.6%），因此温度非常高。图片来源：NASA、ESA、CSA、Dani Player（STScI）

虽然没有亚海王星绕太阳运行，但它们是银河系中最常见的系外行星（即太阳系外的行星）。这些致密、富含气体的行星通常隐藏在厚厚的雾霾之下，使其真实面貌难以捉摸——直到现在。利用詹姆斯·韦伯太空望远镜观测高温亚海王星TOI-421 b，科学家们首次开始对这些行星进行详细探测。

“我的整个职业生涯都在等待韦伯望远镜的到来，以便我们能够更深入地了解这些较小行星的大气层，”马里兰大学帕克分校首席研究员伊丽莎·肯普顿说道。“通过研究它们的大气层，我们能够更好地理解亚海王星是如何形成和演化的，而这其中的一部分意义在于理解为什么它们不存在于我们的太阳系中。”

亚海王星：常见却又神秘

直到美国宇航局的开普勒任务在过去十年中发现了亚海王星，天文学家才知道它们的存在。虽然亚海王星比地球大几倍，但它们比气态巨行星小得多，而且通常比热木星温度更低，这使得早期的望远镜很难研究它们。

在韦伯望远镜之前，科学家们对它们知之甚少。虽然亚海王星比地球大几倍，但它们仍然比气态巨行星小得多，而且通常比热木星温度更低，这使得它们的观测难度远高于气态巨行星。

在韦伯望远镜发射之前，一项关键发现是，大多数亚海王星大气的透射光谱平坦或毫无特征。这意味着，当科学家观察行星经过其主恒星前方时的光谱时，他们看到的只是一条平线光谱，而不是光谱特征——那些能够揭示大气成分的化学指纹。天文学家根据所有这些平线光谱得出结论，至少某些亚海王星可能被云层或雾霾严重遮蔽。

美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到的透射光谱显示，在位于海王星下方的高温系外行星TOI-421 b的大气中，存在水（H2O），可能还存在二氧化硫（SO2）和一氧化碳（CO），但没有二氧化碳（CO2）或甲烷（CH4）的迹象。这些观测结果支持了这样的假设：如此高温的行星（TOI-421 b的温度约为700摄氏度）拥有清澈的大气层，没有被云层和雾霾遮蔽。图片来源：美国宇航局、欧空局、加拿大空间局、约瑟夫·奥姆斯特德（空间望远镜研究所）

无雾霾的候选星球出现

“我们为什么要观察这颗行星，TOI-421 b？因为我们认为它可能不会有雾霾，”肯普顿说。“原因是之前的一些数据暗示，在一定温度范围内，行星受雾霾或云层的遮蔽可能比其他行星要少。”

这个温度阈值大约是1070华氏度（约470摄氏度）。低于这个温度，科学家们假设阳光和甲烷气体之间会发生一系列复杂的光化学反应，从而引发雾霾。但更热的行星不应该有甲烷，因此或许也不应该有雾霾。

TOI-421b的温度约为710摄氏度（约730摄氏度），远高于预期的阈值。由于没有雾霾或云层，研究人员预计会看到清晰的大气层——结果确实如此！

“我们看到了归因于各种气体的光谱特征，这使我们能够确定大气的成分，”马里兰大学三年级博士生布莱恩·达文波特（Brian Davenport）说道，他负责主要数据的分析。“而对于之前观测到的许多其他亚海王星，我们知道它们的大气是由某种物质构成的，但它们被雾霾遮挡了。”

研究团队在该行星大气中发现了水蒸气，以及一氧化碳和二氧化硫的初步迹象。此外，还有一些他们未检测到的分子，例如甲烷和二氧化碳。根据这些数据，他们还可以推断出TOI-421 b的大气中存在大量的氢气。

轻质氢大气层令研究人员大吃一惊。“我们最近一直认为韦伯望远镜观测到的最初几个亚海王星拥有重分子大气层，所以这成了我们的预期，但后来我们发现了相反的结果，”肯普顿说道。这表明TOI-421 b的形成和演化可能与之前观测到的较冷亚海王星不同。

轻盈、富含氢的大气层

以氢为主的大气层也很有意思，因为它模拟了TOI-421 b主恒星的成分。“如果你把构成主恒星的气体放在行星大气层之上，再将其置于比这颗行星低得多的温度下，你就会得到相同的气体组合。这个过程更符合我们太阳系中的巨行星，而且与韦伯望远镜迄今为止观测到的其他亚海王星不同，”肯普顿说。

TOI-421 b 除了比韦伯望远镜此前观测到的其他亚海王星更热之外，还围绕着一颗类似太阳的恒星运行。迄今为止观测到的其他亚海王星大多围绕着体积更小、温度更低的红矮星运行。

TOI-421b 是否象征着围绕类太阳恒星运行的热亚海王星，还是系外行星本身就具有多样性？为了找到答案，研究人员希望观测更多热亚海王星，以确定这只是个例还是一种普遍趋势。他们希望深入了解这些常见系外行星的形成和演化。

探索新领域

“我们开辟了一种观察这些亚海王星的新途径，”达文波特说。“这些高温行星易于表征。因此，通过观察这种温度的亚海王星，我们或许更有可能加速了解这些行星的能力。”

该团队的研究结果于 5 月 5 日发表在《天体物理学杂志快报》上。

编译自/ScitechDaily