天文學家最近發現了首個清晰的跡象,顯示出位於我們太陽系外的一顆岩石行星擁有大氣層,這標誌著理解極端世界的重要一步。利用 NASA 的 James Webb 太空望遠鏡,由卡內基機構領導的團隊研究了 TOI-561 b,這是一顆古老且炙熱的超地球,繞其恆星運行的時間僅為 10.56 小時。這顆行星意外的大氣特徵挑戰了長期以來對小型、超熱世界演化的假設。
TOI-561 b 的質量約為地球的兩倍,但與地球截然不同。這顆行星與其恆星的距離極近,只有水星與太陽距離的 1/40。這個世界的一年只持續 10.56 小時,且有一側永遠處於白晝之中。天文學家原本預期如此小且炎熱的行星在形成後不久便會失去其大氣層。研究的第二作者 Nicole Wallack 指出這一預期。根據我們對其他系統的了解,天文學家會預測像這樣的行星太小且太熱,難以在形成後長期保持自己的大氣層,她表示。她補充說,這些觀察顛覆了對超短周期行星的傳統智慧。
儘管 TOI-561 b 的恆星遠比我們的太陽古老,該行星的大氣層似乎仍然完整。這一現象還可能解釋了 TOI-561 b 的低密度。雖然它的密度低於類地行星,但並不算是超膨脹。主要作者 Johanna Teske 解釋了這一區別。它不是我們所稱的超膨脹……但它的密度低於如果擁有類地組成時的預期,她說。
Teske 和團隊考慮了該行星的密度是否可能源自小型鐵核和較輕的地幔岩石。這一想法與恆星的特性一致。TOI-561 b 在超短周期行星中具有獨特之處,因為它繞著一顆非常古老且缺乏鐵的恆星運行,Teske 說。她指出,該行星的形成可能來自與我們太陽系行星不同的化學環境。這使其成為了解早期宇宙行星形成的一扇窗口。
但僅僅內部結構無法解釋觀察結果。團隊懷疑厚大氣層使得這顆行星看起來更大且密度較低。JWST 的 NIRSpec 儀器幫助測量了行星在次級蝕期間的白晝側溫度。裸露的岩石將達到近 4,900 華氏度,但實際上白晝側的溫度接近 3,200 華氏度。這一重大降幅指向了熱量的有效重分配。研究人員探討了幾種情境,熔岩海洋可能會移動一些熱量,薄岩石蒸汽層也可能有所幫助,但這些都無法符合數據。團隊得出的結論是,只有顯著的大氣層才能解釋這一降溫現象。
共同作者 Anjali Piette 詳細描述了這些影響。強風會通過將熱量傳輸到夜側來冷卻白晝側,她說。她還提到,像水蒸氣這樣的氣體會在光線逃逸之前吸收光線。她還表示,明亮的硅酸鹽雲可能會反射恆星光。科學家們仍然不知道這顆行星如何在強烈的輻射下保持如此大氣層。某些氣體必須逃逸,但平衡可能使得大氣層保持穩定。共同作者 Tim Lichtenberg 描述了這種平衡。他說,當氣體從行星中逸出以供應大氣層時,熔岩海洋也在將它們吸回內部。他補充說,這顆行星實際上就像一個濕熔岩球。
這些結果是 JWST 一般觀察者計劃 3860 的首次成果。團隊觀測該系統持續了 37 小時。更多分析正在進行中,以繪製溫度圖並完善大氣組成。該研究已發佈於《天體物理學期刊快報》。
