韦伯望远镜探测到最强有力证据，表明一颗岩质系外行星存在大气层

排行榜 2025年12月18日 13:49 1 admin

距离地球约280光年的宇宙深处，一颗被熔融岩浆覆盖的"地狱世界"正在改写天文学家对岩质行星的理解。詹姆斯·韦伯太空望远镜的最新观测显示，编号为TOI-561 b的超热超级地球拥有一层出乎意料的浓密大气层——这是迄今为止太阳系外岩质行星存在大气层的最强证据。这一发现发表在《天体物理学杂志快报》上，挑战了天文学界长期以来的共识：轨道极近、温度极高的小型岩质行星应该早已被恒星辐射剥去任何气体包层，成为光秃秃的熔岩球。

TOI-561 b的存在本身就是一个异类。这颗行星半径约为地球的1.4倍，却以不到11小时的惊人速度完成一次公转，属于极为罕见的"超短周期行星"。它与母恒星的距离不足100万英里，仅为水星到太阳距离的四十分之一。在这种极端距离下，行星被潮汐锁定，一面永远朝向恒星，承受着足以将普通岩石蒸发的持续炙烤——表面温度理论上应达到2700摄氏度。

温度之谜引发探测

这幅艺术家概念图展示了根据美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜和其他天文台的观测数据，超高温超级地球系外行星TOI-561 b的可能样貌。韦伯望远镜的数据表明，这颗行星被一层厚厚的大气层环绕，大气层下方是一片全球性的岩浆海洋。图片来源：NASA/STScI

然而，韦伯望远镜的近红外光谱仪在2024年5月对这颗行星进行了超过37小时的连续观测后，发现了一个令人费解的现象：TOI-561 b向阳面的实际温度约为1800摄氏度，比预期低了近1000度。虽然这个温度仍然高到足以让铁熔化，但显著的温度差异暗示着某种未知机制正在冷却行星表面。

卡内基科学研究所的乔安娜·特斯克博士领导的研究团队系统地排查了各种可能性。如果TOI-561 b只是一颗没有大气层的裸露岩石，其向阳面应该接近理论最高温度。岩浆海洋的对流或许能转移部分热量，但没有大气层的情况下，背阴面会迅速冷却凝固，限制热量流动。研究人员还考虑了薄薄的岩石蒸汽层，但计算表明其冷却效果远不足以解释观测结果。

唯一能够自洽解释所有数据的方案，是假设存在一层富含挥发性物质的浓密大气层。伯明翰大学的安贾莉·皮埃特博士解释说："强劲的大气环流会将热量从向阳面输送到背阴面，显著降低向阳面温度。同时，大气中的水蒸气等分子会吸收地表发出的部分红外辐射，减少逃逸到太空的热量，让行星看起来更冷。"此外，大气中可能存在由硅酸盐凝结形成的明亮云层，通过反射星光进一步降低表面温度。

"湿漉漉的熔岩球"如何保住大气

这幅艺术家构想图展示了系外行星TOI-561 b上广阔岩浆海洋上方浓厚的大气层可能的样子。美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜从该行星向阳面拍摄的光线测量结果表明，尽管TOI-561 b接收到来自其恒星的强烈辐射，但它并非一块裸露的岩石。图片来源：NASA/STScI

这一发现立即引发了一个更深层的谜题：在如此极端的辐射环境下，一颗小型岩质行星如何能够保留住浓密的大气层？标准理论预测，超短周期行星应该经历剧烈的大气逃逸过程，恒星的高能辐射会加热大气上层，使气体分子获得足够能量逃离行星引力。尤其对于质量较小的行星，这一过程应该在数百万年内剥离掉所有挥发性物质。

荷兰格罗宁根大学的蒂姆·利希滕贝格提出了一个动态平衡模型来解释这一现象："我们认为岩浆海洋和大气层之间存在持续的物质交换。气体从炽热的行星表面不断释放出来，补充因逃逸而损失的大气；与此同时，部分大气气体也会重新溶解回岩浆海洋。要维持观测到的浓密大气层，TOI-561 b必须拥有比地球高得多的挥发性物质含量——它就像一个湿漉漉的熔岩球。"

这种"岩浆海洋-大气层"共生系统的运作机制极为微妙。岩浆海洋中溶解的水、二氧化碳等挥发性物质会随着岩浆对流上升到表面并脱气释放。同时，行星强大的引力和相对较大的质量（约为地球的1.9倍）有助于减缓大气逃逸速度。研究模型显示，大气逃逸率确实存在，但远低于标准理论对超短周期岩质行星的预测。这种出人意料的低逃逸率，使得火山脱气能够与逃逸达到平衡，维持长期稳定的大气层。

古老行星的独特身份

TOI-561 b的另一个非同寻常之处在于其异常低的密度。如果这颗行星具有类似地球的化学组成，其密度应该更高。研究人员推测，这可能源于其独特的形成环境。TOI-561 b的母恒星是一颗贫金属的古老恒星，年龄约为太阳的两倍，位于银河系的"厚盘"区域——那里的恒星形成于宇宙相对年轻的时期，当时重元素丰度远低于今天。

在这种贫金属环境中形成的行星，可能拥有相对较小的铁核和密度较低的硅酸盐地幔，同时富含更多的挥发性物质。这种化学特征使得TOI-561 b能够在极端条件下保持活跃的岩浆海洋和浓密大气层。从某种意义上说，研究这颗行星相当于窥探早期宇宙中行星的模样。

韦伯望远镜使用的次星面光谱技术，测量的是行星运行到恒星背后时系统亮度的微小变化。这种方法此前曾用于研究TRAPPIST-1系统等温和环境中的岩质行星，但对于TOI-561 b这样的极端世界，其有效性令人惊叹。观测数据的高信噪比为大气层存在提供了无可辩驳的证据，标志着系外行星大气研究的重要里程碑。

打开新世界的大门

研究团队目前正在分析TOI-561 b完整轨道周期的观测数据，试图绘制整个行星的温度分布图，并进一步确定大气成分。初步迹象显示，大气中可能含有大量水蒸气，也可能包含二氧化碳、硫化物和其他从岩浆海洋中释放的气体。明确大气成分将帮助科学家理解岩浆海洋与大气之间的化学平衡机制。

这一发现对系外行星研究具有广泛影响。如果像TOI-561 b这样受到强烈辐射的小型行星都能保留大气层，那么在更温和环境中的岩质行星拥有大气层的可能性就更高。这为在更多样化的系外行星上寻找宜居条件甚至生命迹象打开了新的可能性。研究人员指出，未来需要对更多超短周期行星进行系统观测，以确定TOI-561 b是特例还是一类此前被忽视的天体的代表。

从技术角度看，这项研究也展示了韦伯望远镜在岩质系外行星研究中的强大能力。尽管观测极端炙热的世界相对容易，因为它们辐射更多红外光，但能够区分大气层信号与裸露岩石表面仍然需要卓越的灵敏度和稳定性。随着更多观测时间的投入，天文学家有望揭示更多关于岩质行星大气层起源、演化和多样性的秘密。