这颗“地狱行星”竟拥有大气层……韦布望远镜带来颠覆认知的新发现

在行星的世界里，有一条被普遍认可的“大气生存法则”：自身引力越强、受宿主恒星辐射越弱的行星，越容易留住大气；反之，大气则会逃逸殆尽。

但2025年12月，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）团队在《天体物理学杂志快报》(Astrophysical Journal Letters)上发表的最新研究成果，却让这条法则迎来了“例外”——一颗引力与地球相近，但表面承受宿主恒星极强辐射的古老熔岩行星TOI-561b，竟拥有厚重的大气层。

詹姆斯·韦布空间望远镜

一颗“本不该有大气”的极端行星

TOI-561b是太阳系外的一颗行星，距离地球约280光年，于2020年被天文学家发现。它是一颗典型的“超短周期行星”——其公转周期还不到11小时，意味着它在不到11小时的时间里就完成一次“年”的循环。它的半径是地球的1.4倍，质量是地球的2倍，表面引力与地球大致相当。

TOI-561b围绕着一颗形成于约100亿年前的宿主恒星（“年龄”差不多是太阳的两倍）运转。这颗宿主恒星属于“厚盘恒星”，铁元素含量低而α元素丰富，与太阳系的化学环境截然不同。TOI-561b和宿主恒星之间的距离仅约159万公里——大约是地球和太阳距离的1%。

如此“贴脸”的轨道，让TOI-561b始终以同一面朝向恒星，形成了“永昼面”和“永夜面”，这种现象被称为“潮汐锁定”。也正因如此，TOI-561b表面承受的辐射强度高达地球的数千倍，其永昼面温度远超普通岩石的熔点，成了名副其实的“熔岩世界”。

按照传统理论，以TOI-561b的表面引力条件，在强烈的恒星辐射下，它的大气层本应早已被完全剥离，成为一颗裸露的岩石行星。

韦布望远镜捕捉大气的关键证据

为了验证这颗行星的真实面貌，研究团队利用韦布望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec），在3～5微米的波段对TOI-561b进行了4次连续的“次食观测”——也就是通过记录行星运行到恒星后方时的总体辐射强度变化，来推算行星的物理参数。

如果没有大气，其永昼面会被恒星炙烤到约3000开尔文，热辐射信号会呈现出“裸露岩石”的特征。但观测结果显示，TOI-561b的永昼面温度比预期低了上千开尔文，仅在1800～2150开尔文之间。

TOI-561b的艺术图（图片来源：NASA）

这就好比滚烫的石头上铺了一层隔热毯——只有浓厚的大气才能起到这样的作用。大气环流将永昼面的热量传递到永夜面，同时利用自身的不透明特性，减少热量的直接辐射散失。

为了确保结果可靠，团队使用了两种不同的数据处理流程，最终得到的观测结果高度一致，证实了大气存在的真实性。

岩浆海洋或为“补给站”

虽然确定了大气的存在，但它的具体成分仍然是个谜。

研究团队通过理论模型模拟了多种可能的大气组成，发现富含挥发物（如纯水蒸气、少量水蒸气与大量氧气的混合体）的模型能很好地匹配观测数据，而富含二氧化碳的模型则与实测光谱不符。不过由于观测波段的限制，目前还无法明确探测到具体的分子特征。

科学家们推测，这层大气可能来自行星内部的岩浆海洋。

太阳系中的每一颗行星都曾经历过熔融阶段，TOI-561b相当于保留了行星形成初期的“原始状态”。岩浆海洋中可能溶解了大量挥发物，这些物质通过火山喷发等方式持续释放到地表，形成了次生大气；同时，岩浆海洋本身也可能成为挥发物的“储存库”，不断补给大气中逃逸的部分，让它能在数十亿年的极端环境中留存下来。

上述推测也得到了行星密度数据的支持。TOI-561b的低密度（4.3克/立方厘米）意味着它的内部结构不可能是纯粹的岩石和铁核，必须存在一层低密度的挥发物“包裹层”，而大气正是这层包裹层的一部分。

TOI-561b围绕其宿主恒星公转的艺术图（图片来源：NASA）

改写行星演化认知——

“宇宙海岸线”并非绝对

此前，天文学家基于太阳系行星的特征，提出了一条“宇宙海岸线”法则：行星能否保留大气，取决于它的逃逸速度与接收的恒星辐射量这两个核心参数——逃逸速度低（自身引力弱）、接收恒星辐射量高的行星，必然会失去大气。但TOI-561b的逃逸速度与地球相当、承受了远超地球的恒星辐射，却依然拥有厚重大气，这直接挑战了这一法则的普适性。

“宇宙海岸线”（图片来源：The Astrophysical Journal Letters）

这说明行星保留大气的能力，可能比以往的理论模型预测更复杂。

岩浆海洋与大气的相互作用、行星内部的挥发物储备、大气成分的分子重量等因素，都可能影响大气的留存时间。

这一发现也为研究岩石行星的大气起源提供了新的视角：地球早期的大气是否也来自岩浆海洋的释放？不同化学环境的恒星系统，行星大气的演化路径是否存在差异？

未来，研究团队计划对TOI-561b进行更全面的观测，进一步分析其大气的温度分布和环流情况，同时寻找更多类似的极端行星，探索挥发物大气在超短周期行星中的普遍性。这也正是天文学的迷人之处——不断打破常识，刷新我们对宇宙的认知。

来源：世界科学

编辑：杨樂多

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号