天文學(xué)家最新觀測(cè)顯示，一顆圍繞類太陽(yáng)恒星超近距離運(yùn)行的巖質(zhì)系外行星竟然保留著相對(duì)厚重的大氣層，這一結(jié)果顛覆了人們對(duì)此類行星演化的傳統(tǒng)認(rèn)知。 這顆名為TOI-561 b的“超級(jí)地球”質(zhì)量約為地球的兩倍，但環(huán)境極端，被認(rèn)為整體被全球性的巖漿海洋所覆蓋。

該研究由卡內(nèi)基科學(xué)研究機(jī)構(gòu)牽頭，基于美國(guó)宇航局詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）的觀測(cè)成果，是迄今關(guān)于巖質(zhì)系外行星存在大氣層的最有力證據(jù)之一。 TOI-561 b圍繞一顆略小且略冷于太陽(yáng)的恒星，運(yùn)行軌道距離只相當(dāng)于水星—太陽(yáng)距離的約四十分之一，因此公轉(zhuǎn)周期只有約10.56小時(shí)，且一面永遠(yuǎn)暴露在恒星強(qiáng)烈輻射之下。

按既有理論，如此體量且極端炙熱的行星在形成后應(yīng)很快喪失大氣，成為一塊“裸巖”。 然而團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析韋布望遠(yuǎn)鏡的紅外數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這顆行星被一層相當(dāng)厚的大氣包裹，這與此前對(duì)超短周期行星的預(yù)期明顯不符。 這層殘留大氣也有助于解釋TOI-561 b異常偏低的平均密度——盡管其為巖質(zhì)行星，但整體密度比按地球類成分推算的結(jié)果要小。

課題負(fù)責(zé)人之一、卡內(nèi)基科學(xué)的天文學(xué)家約翰娜·特斯克指出，團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)觀測(cè)計(jì)劃時(shí)曾考慮到另一種可能解釋：該行星也許擁有體積較小的鐵核，以及由低密度巖石構(gòu)成的地幔，使整體密度降低。 她強(qiáng)調(diào)，TOI-561 b的特殊性還在于其母星屬于銀河系厚盤區(qū)域、年齡約為太陽(yáng)的兩倍且貧鐵，這意味著行星形成時(shí)所處的化學(xué)環(huán)境與太陽(yáng)系截然不同，可能代表宇宙早期形成行星的一類典型樣本。

不過(guò)，僅憑異常的內(nèi)部成分仍不足以解釋所有觀測(cè)現(xiàn)象。 研究團(tuán)隊(duì)由此將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向該行星可能存在的厚重大氣層，并推測(cè)正是這層大氣讓行星看起來(lái)“更大”，從而使推算出的平均密度偏低。 為驗(yàn)證這一假設(shè)，天文學(xué)家利用韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec），通過(guò)測(cè)量行星在“繞到恒星背后”時(shí)系統(tǒng)亮度的變化，推導(dǎo)其日側(cè)溫度。

根據(jù)理論，如果TOI-561 b是一塊沒(méi)有大氣的“裸巖”，無(wú)法將熱量輸送至永夜一側(cè)，其日側(cè)溫度應(yīng)逼近約4900華氏度（約2700攝氏度）。 實(shí)際觀測(cè)卻顯示，該行星日側(cè)溫度約為3200華氏度（約1800攝氏度），仍然酷熱，卻顯著低于無(wú)大氣模型的預(yù)測(cè)。 研究團(tuán)隊(duì)比較了多種情景：巖漿海本身的熱對(duì)流可以在一定程度上傳輸熱量，但若缺乏大氣，背對(duì)恒星的一側(cè)很可能已經(jīng)冷卻凝固，限制了熱量向夜側(cè)輸運(yùn)。

另一種假設(shè)是行星表面的巖漿海之上存在一層極薄的巖石蒸汽層，不過(guò)模型顯示，僅靠這樣一層“蒸汽帽”不足以產(chǎn)生如此顯著的降溫效應(yīng)。 參與研究的英國(guó)伯明翰大學(xué)學(xué)者安賈利·皮耶特指出，為了完全解釋這些觀測(cè)結(jié)果，需要一層厚實(shí)、富含揮發(fā)物的大氣，強(qiáng)風(fēng)會(huì)將日側(cè)的熱量輸送到夜側(cè)，而如水汽之類的氣體則會(huì)吸收部分近紅外波段輻射，使望遠(yuǎn)鏡接收到的光通量減少，從而讓行星看起來(lái)“更冷”。 她補(bǔ)充說(shuō)，明亮的硅酸鹽云層也可能通過(guò)反射恒星光來(lái)進(jìn)一步冷卻大氣。

在確認(rèn)大氣存在的同時(shí)，另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題隨之而來(lái)：如此小而炙熱的行星如何在強(qiáng)烈輻照下保住一層厚重的大氣？ 研究人員認(rèn)為，雖然部分氣體必然在持續(xù)逃逸太空，但逃逸速率可能遠(yuǎn)低于原先預(yù)期。 來(lái)自荷蘭格羅寧根大學(xué)的蒂姆·利希滕貝格提出，該行星表面的巖漿海與大氣之間存在一種動(dòng)態(tài)平衡：一方面，氣體不斷從行星內(nèi)部逸出補(bǔ)充大氣，另一方面巖漿又將部分氣體重新“吸入”星體內(nèi)部。

從觀測(cè)和模型推演看，要維持如此狀態(tài)，TOI-561 b必須比地球富含得多的揮發(fā)性物質(zhì)，可被形象地稱為“一顆濕潤(rùn)的熔巖球”。 特斯克表示，新數(shù)據(jù)集不僅給出了首批清晰證據(jù)，也拋出了比答案更多的新疑問(wèn)，尤其是關(guān)于超短周期巖質(zhì)行星的形成和長(zhǎng)期演化。

此次成果是韋布望遠(yuǎn)鏡一般觀測(cè)者項(xiàng)目3860的首批科學(xué)產(chǎn)出，該項(xiàng)目對(duì)TOI-561體系持續(xù)觀測(cè)逾37小時(shí)，期間該行星幾乎完成四圈公轉(zhuǎn)。 團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)一步剖析完整數(shù)據(jù)，以繪制行星周向溫度分布，并更精確約束其大氣成分。 卡內(nèi)基地球與行星實(shí)驗(yàn)室的研究者在韋布項(xiàng)目構(gòu)想初期即深度參與，如今已在該望遠(yuǎn)鏡前四個(gè)觀測(cè)周期中牽頭十余個(gè)課題，涉及系外行星大氣、星系形成等多個(gè)前沿方向。

卡內(nèi)基地球與行星實(shí)驗(yàn)室主任邁克爾·沃爾特表示，這些突破與該機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期在行星演化與動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的積累高度契合，將推動(dòng)人類對(duì)系外行星特性的整體認(rèn)識(shí)。 他預(yù)計(jì)，隨著更多觀測(cè)時(shí)間獲批，新一輪由卡內(nèi)基團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的韋布科學(xué)發(fā)現(xiàn)將在未來(lái)一年陸續(xù)涌現(xiàn)。 相關(guān)研究論文已發(fā)表于《天體物理學(xué)快報(bào)》，題為《超熱超級(jí)地球TOI-561 b上的厚揮發(fā)物大氣》，詳細(xì)介紹了此次溫度測(cè)量、大氣模型與行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)推演的技術(shù)細(xì)節(jié)及結(jié)論。

編譯自/ScitechDaily