英美科研團(tuán)隊(duì)近日利用美國(guó)宇航局詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡，對(duì)一顆名為 TOI-561 b 的超熱“超級(jí)地球”開(kāi)展長(zhǎng)時(shí)間觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆巖質(zhì)系外行星極有可能被致密大氣層包裹，其下覆蓋著全球性的巖漿洋，為“小行星難以保住大氣”的傳統(tǒng)認(rèn)知提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 相關(guān)成果已于 2025 年 12 月 11 日發(fā)表在《天體物理學(xué)快報(bào)》上。

TOI-561 b 的半徑約為地球的 1.4 倍，繞母恒星公轉(zhuǎn)一周不到 11 小時(shí)，屬于極少見(jiàn)的“超短周期系外行星”。 這顆行星圍繞一顆略小且略冷于太陽(yáng)的恒星運(yùn)行，但軌道半徑不足一百萬(wàn)英里，僅約為水星—太陽(yáng)距離的四十分之一，長(zhǎng)期受到強(qiáng)烈輻射轟擊。 在如此近距離上，行星被認(rèn)為處于潮汐鎖定狀態(tài)，一面永遠(yuǎn)面對(duì)恒星，其白晝面溫度遠(yuǎn)高于普通巖石的熔點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)指出，TOI-561 b 的整體密度顯著低于“類(lèi)地組成”模型的預(yù)期，這是本次研究的關(guān)鍵出發(fā)點(diǎn)。 以第一作者、卡內(nèi)基科學(xué)研究所地球與行星實(shí)驗(yàn)室研究員 Johanna Teske 為代表的科學(xué)家表示，僅靠較小的鐵核或低密度地幔并不足以解釋觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，行星周?chē)嬖谝粚痈缓瑩]發(fā)物的厚大氣層，才是更合理的答案。 更為特別的是，這顆行星圍繞一顆年齡約為太陽(yáng)兩倍、金屬豐度較低、位于銀河系厚盤(pán)區(qū)的古老恒星運(yùn)行，其化學(xué)環(huán)境與太陽(yáng)系行星形成時(shí)大不相同，可能代表宇宙早期形成行星的一類(lèi)典型樣本。

為了驗(yàn)證大氣假說(shuō)，團(tuán)隊(duì)利用韋布望遠(yuǎn)鏡的近紅外光譜儀 NIRSpec，對(duì)這顆行星在公轉(zhuǎn)軌道中“從恒星背后掠過(guò)”時(shí)的系統(tǒng)亮度變化進(jìn)行精密測(cè)量，從而推算其白晝面的輻射溫度。 如果 TOI-561 b 完全是一塊“裸露巖石”，沒(méi)有大氣把熱量輸送到夜面，其白晝面溫度應(yīng)接近約 4900 華氏度（約 2700 攝氏度），但實(shí)際測(cè)得的溫度約為 3200 華氏度（約 1800 攝氏度），明顯低于無(wú)大氣情形的理論預(yù)期。 研究團(tuán)隊(duì)嘗試用巖漿洋內(nèi)部對(duì)流或表層巖石蒸汽薄層來(lái)解釋?zhuān)珒H靠這些機(jī)制無(wú)法產(chǎn)生如此明顯的降溫效應(yīng)。

參與研究的伯明翰大學(xué)等機(jī)構(gòu)學(xué)者指出，要同時(shí)解釋密度偏低和白晝面“異常偏冷”這兩點(diǎn)，就需要一層較厚的、富含揮發(fā)性物質(zhì)的大氣存在。 模型顯示，水蒸氣等氣體可以吸收來(lái)自巖漿表面的部分近紅外輻射，使望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的輻射溫度偏低；同時(shí)，強(qiáng)烈的大氣環(huán)流可將熱量高效輸送到夜面，進(jìn)一步拉低白晝面的溫度。 研究人員還認(rèn)為，明亮的硅酸鹽云層反射恒星光，也可能為大氣降溫貢獻(xiàn)一部分作用。

盡管目前的證據(jù)傾向于支持“厚大氣+巖漿洋”的圖景，但一個(gè)棘手問(wèn)題隨之而來(lái)：如此靠近恒星、飽受強(qiáng)烈輻射的小型行星，如何在數(shù)十億年間保住大量大氣物質(zhì)？ 荷蘭格羅寧根大學(xué)的 Tim Lichtenberg 指出，行星內(nèi)部的巖漿洋與大氣之間可能存在一種微妙的“揮發(fā)分平衡”，一方面氣體不斷從深部釋放補(bǔ)給大氣，另一方面大氣中的揮發(fā)物又持續(xù)被巖漿“溶解”回內(nèi)部，使系統(tǒng)維持動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)。 研究團(tuán)隊(duì)形象地將 TOI-561 b 描述為一個(gè)“極其富含揮發(fā)物的濕潤(rùn)熔巖球”。

本次成果來(lái)自韋布望遠(yuǎn)鏡常規(guī)觀(guān)測(cè)項(xiàng)目 3860，對(duì)該行星系統(tǒng)連續(xù)觀(guān)測(cè)超過(guò) 37 小時(shí)，期間 TOI-561 b 完成了近四個(gè)軌道周期。 科學(xué)家們正在對(duì)完整數(shù)據(jù)集進(jìn)行進(jìn)一步分析，希望繪制出這顆行星由晝到夜的溫度分布，并在未來(lái)更精確地推斷其大氣成分。 這一研究不僅為巖質(zhì)系外行星是否能夠維持大氣提供了關(guān)鍵線(xiàn)索，也為理解早期宇宙中行星的形成與演化打開(kāi)了新的窗口。

編譯自/ScitechDaily