被拉成“柠檬”的行星

被拉成“柠檬”的行星

这幅艺术概念图展示了名为 PSR J2322-2650b 的系外行星（左）可能的外观：它绕着一颗快速自转的中子星——脉冲星（右）运行。由于这颗质量远大于行星的脉冲星的引力作用，这颗木星质量的行星被拉伸成一种怪异的柠檬形。

图源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

科学家利用NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）观测到了一种此前未知的系外行星类型——其大气性质挑战了当前行星的形成理论。

这颗新观测到的天体呈细长的柠檬状，甚至可能在内部深处含有钻石。它的奇特特征使其难以归类，介于天文学家通常所认为的行星与恒星之间。

前所未有的“碳世界”

这一天体的正式名称为 PSR J2322-2650b，其大气层主要由氦和碳组成，而不是多数已知系外行星中常见的气体。它的质量与木星相当，行星外层被黑暗、类似烟尘的云层笼罩。在行星内部极端高压之下，科学家认为这些云中的碳可能被压缩成钻石。该行星围绕一颗快速自转的中子星运行。

尽管已有细致观测，这颗行星究竟如何形成仍是未知数。“这颗行星绕着一颗完全怪异的恒星运行——质量相当于太阳，但大小却只有一座城市那么大，”芝加哥大学天体物理学家迈克尔·张（Michael Zhang）说。他是这项研究的首席研究者，论文已被《天体物理学报通讯》接收发表。“这是此前从未见过的一种新型行星大气。”

“这完全出乎意料，”华盛顿特区卡内基地球与行星实验室的彼得·高（Peter Gao）说。“我记得数据下载之后，我们所有人的反应都是：‘这到底是什么鬼？’”

一颗绕脉冲星运行的行星

PSR J2322-2650b 绕行的母星是一颗中子星，也称为脉冲星，其自转速度快得惊人。脉冲星会从磁极以毫秒级的间隔发射强大的电磁辐射束。其中大部分辐射以伽马射线及其他高能粒子的形式存在，这些辐射无法被韦布的红外仪器探测到。

由于这颗恒星本身不会使韦布的探测器过载，研究人员得以在行星整个轨道周期内持续观测它。这种情况非常罕见，因为多数恒星的亮度远远超过其周围的行星。

“这个系统很独特，因为我们能够看到行星被其母星照亮，但几乎完全看不到母星本身，”参与建立行星形状与轨道模型的斯坦福大学研究生玛雅·贝莱兹奈（Maya Beleznay）说。“因此我们获得了非常纯净的光谱，也能比研究普通系外行星更深入地分析这个系统。”

令人震惊的大气发现

当科学家分析这颗行星的大气光谱特征时，发现了完全出乎意料的结果。“我们没有看到通常期望在系外行星上出现的分子——比如水、甲烷和二氧化碳——而是看到了分子碳，具体来说是 C₃ 和 C₂，”张说。

行星内部的极端压力可能使这些碳发生结晶，从而在表面之下深处形成钻石。然而，最令人费解的问题仍未解开：“很难想象你怎么会得到如此极端的富碳成分，”张说。“这似乎排除了所有已知的形成机制。”

致命“拥抱”中的行星

PSR J2322-2650b 距离母星异常之近，仅约 160 万公里。相比之下，地球距离太阳约 1.6 亿公里。由于距离极近，这颗行星只需 7.8 小时就能完成一周公转。

研究人员通过建模行星在运动过程中亮度的细微变化，推断出质量远大于行星的脉冲星施加的强烈引力正在把行星拉伸成柠檬状。

该系统可能属于一种罕见类型——“黑寡妇”系统。在这类系统中，一颗高速自转的脉冲星与一个更小、低质量的伴星配对。在早期阶段，伴星的物质会流向脉冲星，增加其自转速度，并驱动强大的粒子风。该粒子风再加上强烈辐射，会逐渐剥离较小天体的物质。

就像其名称所指的蜘蛛一样，脉冲星会慢慢“吞噬”它的伴侣。但在这个案例中，这个伴星被国际天文学联合会（IAU）归类为系外行星，而不是恒星。

“这东西是像正常行星那样形成的吗？不是，因为它的成分完全不同，”张说。“它是通过剥离一颗恒星的外层形成的吗——就像‘典型’黑寡妇系统那样？可能也不是，因为核物理过程不会产生纯碳。”

科学家迫切想解开的谜题

斯坦福大学及卡夫利粒子天体物理与宇宙学研究所的罗杰·罗马尼（Roger Romani）是全球研究黑寡妇系统的顶尖专家之一。他提出了一种关于该行星奇特大气的可能解释。

“当伴星冷却时，内部的碳和氧混合物开始结晶，”罗马尼说。“纯碳晶体会浮到上层并混入氦中，这就是我们观测到的成分。但随后还必须发生某些过程，才能把氧和氮排除在外——而这正是争议所在。”

“不过，不是什么都知道也挺好，”罗马尼补充道。“我期待进一步了解这种大气的怪异之处。能有一个值得探求的谜题是非常棒的。”

为什么韦布望远镜是关键

这项发现之所以成为可能，得益于詹姆斯·韦布空间望远镜对红外信号的高灵敏度以及其独特的观测条件。韦布位于距离地球约 160 万公里的位置，并使用巨大的遮阳板让仪器保持极低温度，这对探测微弱的红外信号至关重要。

“在地球上，很多东西都是热的，而热量会严重干扰观测，因为那也是你必须处理的光子来源，”张说。“从地面观测绝对不可行。”

来源：牧夫天文

编辑：77

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