在行星的世界里，有一條被普遍認可的“大氣生存法則”：自身引力越強、受宿主恒星輻射越弱的行星，越容易留住大氣；反之，大氣則會逃逸殆盡。

但2025年12月，詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）團隊在《天體物理學雜志快報》(Astrophysical Journal Letters)上發(fā)表的最新研究成果，卻讓這條法則迎來了“例外”——一顆引力與地球相近，但表面承受宿主恒星極強輻射的古老熔巖行星TOI-561b，竟擁有厚重的大氣層。

詹姆斯·韋布空間望遠鏡

一顆“本不該有大氣”的極端行星

TOI-561b是太陽系外的一顆行星，距離地球約280光年，于2020年被天文學家發(fā)現。它是一顆典型的“超短周期行星”——其公轉周期還不到11小時，意味著它在不到11小時的時間里就完成一次“年”的循環(huán)。它的半徑是地球的1.4倍，質量是地球的2倍，表面引力與地球大致相當。

TOI-561b圍繞著一顆形成于約100億年前的宿主恒星（“年齡”差不多是太陽的兩倍）運轉。這顆宿主恒星屬于“厚盤恒星”，鐵元素含量低而α元素豐富，與太陽系的化學環(huán)境截然不同。TOI-561b和宿主恒星之間的距離僅約159萬公里——大約是地球和太陽距離的1%。

如此“貼臉”的軌道，讓TOI-561b始終以同一面朝向恒星，形成了“永晝面”和“永夜面”，這種現象被稱為“潮汐鎖定”。也正因如此，TOI-561b表面承受的輻射強度高達地球的數千倍，其永晝面溫度遠超普通巖石的熔點，成了名副其實的“熔巖世界”。

按照傳統(tǒng)理論，以TOI-561b的表面引力條件，在強烈的恒星輻射下，它的大氣層本應早已被完全剝離，成為一顆裸露的巖石行星。

韋布望遠鏡捕捉大氣的關鍵證據

為了驗證這顆行星的真實面貌，研究團隊利用韋布望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec），在3～5微米的波段對TOI-561b進行了4次連續(xù)的“次食觀測”——也就是通過記錄行星運行到恒星后方時的總體輻射強度變化，來推算行星的物理參數。

如果沒有大氣，其永晝面會被恒星炙烤到約3000開爾文，熱輻射信號會呈現出“裸露巖石”的特征。但觀測結果顯示，TOI-561b的永晝面溫度比預期低了上千開爾文，僅在1800～2150開爾文之間。

TOI-561b的藝術圖（圖片來源：NASA）

這就好比滾燙的石頭上鋪了一層隔熱毯——只有濃厚的大氣才能起到這樣的作用。大氣環(huán)流將永晝面的熱量傳遞到永夜面，同時利用自身的不透明特性，減少熱量的直接輻射散失。

為了確保結果可靠，團隊使用了兩種不同的數據處理流程，最終得到的觀測結果高度一致，證實了大氣存在的真實性。

巖漿海洋或為“補給站”

雖然確定了大氣的存在，但它的具體成分仍然是個謎。

研究團隊通過理論模型模擬了多種可能的大氣組成，發(fā)現富含揮發(fā)物（如純水蒸氣、少量水蒸氣與大量氧氣的混合體）的模型能很好地匹配觀測數據，而富含二氧化碳的模型則與實測光譜不符。不過由于觀測波段的限制，目前還無法明確探測到具體的分子特征。

科學家們推測，這層大氣可能來自行星內部的巖漿海洋。

太陽系中的每一顆行星都曾經歷過熔融階段，TOI-561b相當于保留了行星形成初期的“原始狀態(tài)”。巖漿海洋中可能溶解了大量揮發(fā)物，這些物質通過火山噴發(fā)等方式持續(xù)釋放到地表，形成了次生大氣；同時，巖漿海洋本身也可能成為揮發(fā)物的“儲存庫”，不斷補給大氣中逃逸的部分，讓它能在數十億年的極端環(huán)境中留存下來。

上述推測也得到了行星密度數據的支持。TOI-561b的低密度（4.3克/立方厘米）意味著它的內部結構不可能是純粹的巖石和鐵核，必須存在一層低密度的揮發(fā)物“包裹層”，而大氣正是這層包裹層的一部分。

TOI-561b圍繞其宿主恒星公轉的藝術圖（圖片來源：NASA）

改寫行星演化認知——

“宇宙海岸線”并非絕對

此前，天文學家基于太陽系行星的特征，提出了一條“宇宙海岸線”法則：行星能否保留大氣，取決于它的逃逸速度與接收的恒星輻射量這兩個核心參數——逃逸速度低（自身引力弱）、接收恒星輻射量高的行星，必然會失去大氣。但TOI-561b的逃逸速度與地球相當、承受了遠超地球的恒星輻射，卻依然擁有厚重大氣，這直接挑戰(zhàn)了這一法則的普適性。

“宇宙海岸線”（圖片來源：The Astrophysical Journal Letters）

這說明行星保留大氣的能力，可能比以往的理論模型預測更復雜。

巖漿海洋與大氣的相互作用、行星內部的揮發(fā)物儲備、大氣成分的分子重量等因素，都可能影響大氣的留存時間。

這一發(fā)現也為研究巖石行星的大氣起源提供了新的視角：地球早期的大氣是否也來自巖漿海洋的釋放？不同化學環(huán)境的恒星系統(tǒng)，行星大氣的演化路徑是否存在差異？

未來，研究團隊計劃對TOI-561b進行更全面的觀測，進一步分析其大氣的溫度分布和環(huán)流情況，同時尋找更多類似的極端行星，探索揮發(fā)物大氣在超短周期行星中的普遍性。這也正是天文學的迷人之處——不斷打破常識，刷新我們對宇宙的認知。

來源：世界科學

編輯：楊樂多

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