一颗奇奇怪怪的行星 大气成分前所未见

科学家利用詹姆斯·韦布空间望远镜观测到一种罕见的系外行星，其大气成分以氦和碳为主，挑战了我们对其形成方式的理解。

这颗系外行星编号为 PSR J2322-2650b，根据编号规则，其母星为 PSR J2322-2650，很显然，那不是一颗普通的恒星，甚至严格说来不能称为恒星，而是一颗恒星死后的残骸——中子星。它亦是一颗毫秒脉冲星，以 3.5 毫秒为周期飞速旋转。PSR J2322-2650 距离地球约 750 光年，是在 2011 年 5 月被澳大利亚帕克斯射电望远镜（Parkes）发现的。同时，脉冲信号中还显示出一个约 7.75 小时的规律性变化，暗示其拥有一个质量最小为木星 0.8 倍的伴星。这事实上构成了一个特殊的脉冲星双星系统——黑寡妇脉冲星——指伴星质量小于 0.1 倍太阳质量，公转周期小于 1 天的毫秒脉冲星系统。

PSR J2322-2650 系统艺术想象画。（来源：NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford）

前期的观测表明，PSR J2322-2650 的伴星不是一颗恒星或白矮星，而是拥有热木星的典型特征——质量和密度密度接近木星、距离木星很近、温度极高。在已知的6000颗系外行星中，只有少数脉冲星拥有行星，而围绕脉冲星运行的气态巨行星，这还是唯一一颗。作为一颗毫秒脉冲星，PSR J2322-2650 很小很暗，我们不可见，而它能将外围的行星 PSR J2322-2650b 照亮。这对通过红外线进行观测的詹姆斯·韦布望远镜而言是个绝佳的组合。没有了明亮的恒星遮挡，科学家们可以在整个轨道上研究这颗行星的细节。

PSR J2322-2650b艺术想象画。行星因为距离母星过近而被拉扯成柠檬状。（来源：NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford）

天文学家观测发现，这个木星质量的物体拥有一个浓密的大气层，然而，大气成分以氦和碳为主，这是从未见过的。在我们太阳系，像木星、土星这样的气态行星，大气的主要成分是氢和氦，虽然也有少量的碳，但主要出现在大气的深处。但是碳的来源被认为可能是甲烷，因为木星内部的高温和高压将甲烷分子“撕碎”，从而释放出自由的碳原子。（说句题外话，这也是木星内部所谓“钻石雨”这种说法的由来。但是这样简单粗暴的比喻并不准确。）而出现在 PSR J2322-2650b 行星大气中的碳主要是 C3 和 C2 形式的分子碳。

詹姆斯·韦布望远镜观测到 PSR J2322-2650b 昼半球中C3的光谱吸收线。（来源：Michael Zhang et al. 2025）

分子碳是非常不寻常的，因为 PSR J2322-2650b 离母星非常近，只有160万公里远。白天最热达 2300 ℃，夜间温度也在 900 ℃ 以上。在这样的温度下，如果大气中有任何其他类型的原子，碳很容易就会与它们结合。通常理解，只有在几乎无氧无氮的情况下，碳分子才能占主导地位。在天文学家所了解的太阳系内外大约 150 颗行星的大气中，没有任何其他行星被检测出分子碳。

PSR J2322-2650 系统艺术想象画。（来源：NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford）

这样特殊的天体是如何形成的呢？天文学家试图从“黑寡妇脉冲星”角度进行解释。黑寡妇系统是一种罕见的双系统，由一颗快速旋转的中子星（脉冲星）与一颗低质量且近距离的伴星组合而成。来自伴星的物质会源源不断流入中子星，导致中子星旋转加快，并吹出强劲的星风。然后，星风与辐射会轰击并蒸发小而可怜的伴星。脉冲星慢慢地吞噬它不幸的小伙伴，就像蜘蛛世界里令人胆寒的“黑寡妇”。研究人员猜测，原本这颗气态巨行星还要大得多热得多，然而其大气层在漫长的岁月中被持续剥离。随着行星冷却下来，内部的碳和氧的混合物开始结晶，纯碳晶体浮到顶部，与氦混合。但是，这一过程中如何将氧和氮排除出去呢？科学家还没找到合理的解释。

参考资料

[1] Michael Zhang et al. A carbon-rich atmosphere on a windy pulsar planet (https://doi.org/10.48550/arXiv.2509.04558)

[2] https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-observes-exoplanet-whose-composition-defies-explanation/