韦布望远镜发现一颗炽热超级地球竟有隐藏大气层

科研团队对超热超级地球TOI-561 b的观测表明，这颗系外行星可能被厚厚的气体层包裹，其下方是全球性的熔融岩石海洋。该团队于12月11日在《天体物理学杂志通讯》上发表了研究结果，指出新数据不仅解释了这颗行星令人惊讶的低密度，还对“轨道离恒星极近的较小行星无法保留大气”这一长期观点提出了挑战。

### 极端轨道与超短周期超级地球
TOI-561 b的半径约为地球的1.4倍，完成一次轨道运行仅需不到11小时，属于罕见的“超短周期系外行星”。其宿主恒星比太阳略小、温度略低，但TOI-561 b的轨道距离恒星极近——不到100万英里，仅为水星与太阳距离的四十分之一，这几乎使其始终以同一面朝向恒星。在这永昼的一面，温度预计会远超普通岩石的熔点。

伯明翰大学的合著者安贾利·皮埃特博士表示：“要解释所有观测结果，我们确实需要一层富含挥发物的浓厚大气。强风会将热量从昼侧输送到夜侧，从而为昼侧降温。像水蒸气这样的气体会吸收地表发出的部分近红外光，再让光线向上穿过大气层。此时望远镜探测到的光线减少，行星看起来会更冷；不过也有可能存在明亮的硅酸盐云，通过反射星光为大气降温。”

### 探究行星的异常低密度
研究人员为解释TOI-561 b的低密度提出了一种可能：它或许拥有相对较小的铁核，地幔则由密度低于地球内部的岩石构成。卡内基科学研究所地球与行星实验室的首席作者约翰娜·特斯克指出：“这颗行星的独特之处在于其异常低的密度。如果它具有类地成分，密度应该比现在高。TOI-561 b在超短周期行星中很特别，它围绕一颗非常古老、贫铁的恒星运行——年龄是太阳的两倍，位于银河系的‘厚盘’区域。它的形成环境与太阳系行星的化学环境截然不同。”因此，这颗行星的组成可能与宇宙尚年轻时形成的行星相似。

### 全球性岩浆海洋上方的浓厚大气
团队还提出，TOI-561 b可能被浓厚的大气包裹，使其看起来比实际固体部分更大。尽管理论认为，在强烈恒星辐射下存在数十亿年的小型行星应该会失去曾经拥有的所有气体，但少数这类行星仍显示出并非仅有裸露岩石或熔岩的迹象。

研究人员利用韦伯望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec），通过测量行星近红外亮度来确定其昼侧温度，以此验证TOI-561 b是否存在大气。该方法的原理是：当行星运行到恒星后方时，追踪恒星与行星系统整体亮度的下降，类似于在TRAPPIST-1系统及其他小型岩石系外行星中寻找大气的技术。

如果TOI-561 b只是没有大气的裸露岩石表面（无法将热量传递到夜侧），其受照半球温度应达到约4900华氏度（2700摄氏度）。但NIRSpec数据显示，昼侧温度更接近3200华氏度（1800摄氏度）——虽然依旧极高，但显著低于预期。

### 测试热传递与大气情景
为解释这一低于预期的温度，研究人员评估了多种情景。全球性岩浆海洋可能会将部分热量从昼侧转移到夜侧，但若无大气，永夜一侧会凝固，限制能量再分配。熔融表面可能存在一层薄薄的岩石蒸气，但仅靠这层蒸气不足以提供与观测结果匹配的冷却效果。

尽管韦伯望远镜的测量强烈支持大气的存在，但一个重要谜题仍未解开：一颗相对较小的行星在如此强烈的辐射轰击下，如何能保留大气，尤其是看起来如此浓厚的大气？荷兰格罗宁根大学的合著者蒂姆·利希滕贝格表示：“我们认为岩浆海洋与大气之间存在平衡。当气体从行星内部释放到大气中时，岩浆海洋又会将它们吸回内部。要解释观测结果，这颗行星的挥发物含量必须远高于地球。它真的就像一个湿熔岩球。”

### 韦伯望远镜对TOI-561 b的长期观测及更广泛任务
这些发现来自韦伯望远镜通用观测者计划3860的首批结果。该计划对TOI-561系统进行了超过37小时的持续监测，期间TOI-561 b完成了近四次完整的恒星轨道运行。团队目前正在详细研究完整数据集，以绘制整个行星的温度变化图，并更准确地确定其大气成分。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界领先的太空科学观测站，致力于解开太阳系的奥秘、探索遥远的系外行星、研究宇宙的神秘结构与起源，以及我们在宇宙中的位置。韦伯望远镜是由美国国家航空航天局（NASA）牵头，与欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作的国际项目。