韦布空间望远镜发现“本不应存在”的行星：几乎完全由碳构成

IT之家 10 月 27 日消息，詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）发现一颗围绕脉冲星运行的碳大气行星，挑战了当前关于行星形成机制的主流理论。

科学进步往往源于那些无法被现有认知解释的数据。这一观点最早由托马斯・库恩在其著作《科学革命的结构》中提出，他认为当现有模型无法解释新出现的证据时，科学范式就会发生转变。

基于这一逻辑，科学家通常乐于接受出人意料的发现，尤其是那些迫使我们重新思考宇宙运行规律的观测结果。近日发表在预印本平台 arXiv 上的一项新研究，利用詹姆斯・韦布空间望远镜（JWST）的观测数据，可能正代表了这样一个颠覆性时刻：研究人员在分析一颗围绕毫秒脉冲星运行的系外行星时，发现其大气几乎完全由纯碳构成。

“黑寡妇”脉冲星系统

据IT之家了解，这颗脉冲星编号为 PSR J2322-2650，属于一类罕见的“黑寡妇”（black widow）系统。这类系统通过从邻近伴星吸积物质释放巨大能量。随着时间推移，脉冲星强大的引力和高能辐射会逐渐剥离伴星的外层，最终留下一个致密的、体积接近木星大小的残余天体。

在此案例中，该伴星很可能已经演变成了一颗“热木星”，每 7.8 小时便绕中子星公转一圈。通常情况下，这一过程分为两个阶段：首先，中子星（同时也是脉冲星）从伴星吸积物质；随后，它以高能伽马射线猛烈轰击残留伴星，蒸发其大部分质量，并最终形成一颗富含氦元素的行星。

碳富集大气的惊人发现

这颗伴星行星被命名为 PSR J2322-2650b，其尺寸与密度与其他“黑寡妇”系统中形成的木星级残骸一致，因此原本预期其成分为以氦为主。然而，JWST 获取的光谱数据却揭示了一个完全出乎意料的结果：该行星大气主要由元素态碳组成。这些碳以三碳分子（C₃）和双碳分子（C₂）等形式存在，使其成为迄今所观测到的所有“黑寡妇”伴星中前所未见的独特案例。

此类碳分子通常仅存在于彗星尾部，或地球上的火焰之中。它们出现在行星大气层中，尤其是如此丰富的含量，在科学界还是首次发现。

这颗行星大气层的另一个有趣之处在于其昼夜两面的差异。由于这颗行星处于潮汐锁定状态，始终以同一面朝向脉冲星，其昼半球温度可超过 2000℃，并展现出清晰的化学特征信号。而夜半球的光谱则几乎毫无特征，这表明该行星的这一面覆盖着烟灰或类似的、没有任何明显特征的物质。

为进一步凸显该行星大气的异常性，研究人员计算了碳与氧（C / O）、碳与氮（C / N）的丰度比值。结果显示，C / O 比值超过 100，C / N 比值更是高达 10,000 以上。相比之下，地球的 C / O 比仅为 0.01，C / N 比约为 40。显然，这颗行星上存在大量的碳。

对行星形成理论的挑战

这一发现与科学家此前对行星形成过程的理解严重不符。在“黑寡妇”演化过程中，行星的外层物质理应已被脉冲星吸积或辐射烧蚀殆尽。然而如此丰富的碳大气仍然存在，构成了一个未解之谜。

尽管存在某些可能产生碳富集环境的机制 —— 例如两颗“碳星”之间的白矮星合并事件 —— 但即便是这类模型，也难以解释为何该行星的 C / O 比会达到如此惊人的高度。

不过，该行星的其他特性仍符合现有理论预测。环流模型指出，像 PSR J2322-2650b 这样快速旋转的潮汐锁定行星，应具有强烈的西向风，这与大多数其他热木星常见的东向风截然不同。JWST 的观测数据显示，该行星最热区域位于其昼半球中心偏西约 12 度的位置，这是人类首次获得此类西向风现象的直接观测证据。

换言之，PSR J2322-2650b 呈现出深刻的矛盾性：它的大小、形状和大气环流模式均符合“黑寡妇”系统的典型理论框架；但其大气成分却彻底背离预期，堪称异类。面对这一矛盾，科学家必须回到理论原点，尝试构建新的模型来解释这一奇特现象。

在他们努力重构理论的同时，詹姆斯・韦布空间望远镜将继续巡视宇宙深处，搜寻更多类似的异常天体 —— 这些“不合常理”的发现，或许正是下一次科学革命的起点。