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 ​

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