詹姆斯·韦伯望远镜发现“远古超级地球”不可能存在的大气层

天文学家最新观测显示，一颗围绕类太阳恒星超近距离运行的岩质系外行星竟然保留着相对厚重的大气层，这一结果颠覆了人们对此类行星演化的传统认知。 这颗名为TOI-561 b的“超级地球”质量约为地球的两倍，但环境极端，被认为整体被全球性的岩浆海洋所覆盖。

该研究由卡内基科学研究机构牵头，基于美国宇航局詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的观测成果，是迄今关于岩质系外行星存在大气层的最有力证据之一。 TOI-561 b围绕一颗略小且略冷于太阳的恒星，运行轨道距离只相当于水星—太阳距离的约四十分之一，因此公转周期只有约10.56小时，且一面永远暴露在恒星强烈辐射之下。

按既有理论，如此体量且极端炙热的行星在形成后应很快丧失大气，成为一块“裸岩”。 然而团队通过分析韦布望远镜的红外数据发现，这颗行星被一层相当厚的大气包裹，这与此前对超短周期行星的预期明显不符。 这层残留大气也有助于解释TOI-561 b异常偏低的平均密度——尽管其为岩质行星，但整体密度比按地球类成分推算的结果要小。

课题负责人之一、卡内基科学的天文学家约翰娜·特斯克指出，团队在设计观测计划时曾考虑到另一种可能解释：该行星也许拥有体积较小的铁核，以及由低密度岩石构成的地幔，使整体密度降低。 她强调，TOI-561 b的特殊性还在于其母星属于银河系厚盘区域、年龄约为太阳的两倍且贫铁，这意味着行星形成时所处的化学环境与太阳系截然不同，可能代表宇宙早期形成行星的一类典型样本。

不过，仅凭异常的内部成分仍不足以解释所有观测现象。 研究团队由此将重点转向该行星可能存在的厚重大气层，并推测正是这层大气让行星看起来“更大”，从而使推算出的平均密度偏低。 为验证这一假设，天文学家利用韦布望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec），通过测量行星在“绕到恒星背后”时系统亮度的变化，推导其日侧温度。

根据理论，如果TOI-561 b是一块没有大气的“裸岩”，无法将热量输送至永夜一侧，其日侧温度应逼近约4900华氏度（约2700摄氏度）。 实际观测却显示，该行星日侧温度约为3200华氏度（约1800摄氏度），仍然酷热，却显著低于无大气模型的预测。 研究团队比较了多种情景：岩浆海本身的热对流可以在一定程度上传输热量，但若缺乏大气，背对恒星的一侧很可能已经冷却凝固，限制了热量向夜侧输运。

另一种假设是行星表面的岩浆海之上存在一层极薄的岩石蒸汽层，不过模型显示，仅靠这样一层“蒸汽帽”不足以产生如此显著的降温效应。 参与研究的英国伯明翰大学学者安贾利·皮耶特指出，为了完全解释这些观测结果，需要一层厚实、富含挥发物的大气，强风会将日侧的热量输送到夜侧，而如水汽之类的气体则会吸收部分近红外波段辐射，使望远镜接收到的光通量减少，从而让行星看起来“更冷”。 她补充说，明亮的硅酸盐云层也可能通过反射恒星光来进一步冷却大气。

在确认大气存在的同时，另一个关键问题随之而来：如此小而炙热的行星如何在强烈辐照下保住一层厚重的大气？ 研究人员认为，虽然部分气体必然在持续逃逸太空，但逃逸速率可能远低于原先预期。 来自荷兰格罗宁根大学的蒂姆·利希滕贝格提出，该行星表面的岩浆海与大气之间存在一种动态平衡：一方面，气体不断从行星内部逸出补充大气，另一方面岩浆又将部分气体重新“吸入”星体内部。

从观测和模型推演看，要维持如此状态，TOI-561 b必须比地球富含得多的挥发性物质，可被形象地称为“一颗湿润的熔岩球”。 特斯克表示，新数据集不仅给出了首批清晰证据，也抛出了比答案更多的新疑问，尤其是关于超短周期岩质行星的形成和长期演化。

此次成果是韦布望远镜一般观测者项目3860的首批科学产出，该项目对TOI-561体系持续观测逾37小时，期间该行星几乎完成四圈公转。 团队目前正在进一步剖析完整数据，以绘制行星周向温度分布，并更精确约束其大气成分。 卡内基地球与行星实验室的研究者在韦布项目构想初期即深度参与，如今已在该望远镜前四个观测周期中牵头十余个课题，涉及系外行星大气、星系形成等多个前沿方向。

卡内基地球与行星实验室主任迈克尔·沃尔特表示，这些突破与该机构长期在行星演化与动力学领域的积累高度契合，将推动人类对系外行星特性的整体认识。 他预计，随着更多观测时间获批，新一轮由卡内基团队主导的韦布科学发现将在未来一年陆续涌现。 相关研究论文已发表于《天体物理学快报》，题为《超热超级地球TOI-561 b上的厚挥发物大气》，详细介绍了此次温度测量、大气模型与行星内部结构推演的技术细节及结论。

编译自/ScitechDaily