韦伯望远镜揭示超高温系外行星WASP-121b的起源

WASP-121b是一颗超热巨行星，其公转轨道距离仅约为宿主恒星直径的两倍，每30.5小时完成一次公转。该行星呈现两个截然不同的半球：一个始终朝向宿主恒星，局部温度超过3000摄氏度；另一个是永恒黑夜面，温度降至1500摄氏度。

"白昼面温度高到足以使难熔材料——通常指耐强热的固体化合物——以气态形式存在于行星大气中，"托马斯·埃文斯-索马解释道。这位就职于德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所（MPIA）和澳大利亚纽卡斯尔大学的天文学家领导了今日发表于《自然·天文学》的研究。

揭示WASP-121b的诞生地

研究团队通过探测蒸发温度差异显著的化合物丰度，为行星形成演化提供线索。"气态物质比液态固态更易识别，"MPIA研究生西里尔·加普指出，他作为第一作者于今日在《天文学杂志》发表第二项研究。"由于众多化合物以气态形式存在，天文学家将WASP-121b作为天然实验室探究行星大气特性。"

团队推断WASP-121b的气体主要在特定低温区积聚：该区域温度低至水能保持冰冻状态，又高到足以使甲烷（CH₄）蒸发为气态。鉴于行星形成于年轻恒星周围的星周气体尘埃盘内，这种条件出现在恒星辐射产生适宜温度的轨道距离。

在太阳系中，该区域位于木星与天王星轨道之间。值得注意的是，WASP-121b当前运行轨道极度接近其宿主恒星的表面。这表明它在形成后经历了从冰封外围到行星系统中心的长距离迁移。

重构WASP-121b的多舛青年期

硅元素以一氧化硅（SiO）气态被检测到，但最初是通过星子（本质是小行星）中的石英等岩石物质进入行星——此时行星已获得大部分气体包层。星子形成需要时间，表明该过程发生于行星发育后期。

"碳、氧、硅的相对丰度为理解行星形成与物质获取机制提供了线索。"——托马斯·埃文斯-索马

行星形成始于冰尘颗粒粘聚，逐渐成长为厘米至米级卵石。它们吸附周围气体与小颗粒，加速生长。这些是WASP-121b等未来行星的种子。气体阻力使移动的卵石螺旋坠向恒星，迁移过程中所含冰物质在星盘较热的内部区域开始蒸发。

当幼年行星绕宿主恒星运行时，其体积可能增长到足以在原行星盘开辟巨大间隙。这阻止了卵石内漂与含冰物质供给，但仍保留足够气体构建延展大气层。

在WASP-121b的案例中，该现象发生于甲烷卵石蒸发的区域，使行星摄取的气体富含碳元素；而水冰卵石保持冻结状态，锁住了氧元素。此情景完美解释了埃文斯-索马与加普观测到该行星大气碳氧比高于宿主恒星的现象：当富氧卵石流停止后，WASP-121b持续吸附富碳气体，最终设定了其大气包层的组成。

甲烷检测需强劲垂直气流

大气温度变化时，甲烷与一氧化碳等分子丰度理应改变。在WASP-121b超高温白昼面，甲烷极不稳定，不应达到可检测量级。天文学家已确认：此类行星白昼面气体向相对低温黑夜面混合的速度，应快于气体成分适应低温所需时间。按此推论，黑夜面甲烷丰度应与白昼面同样微不足道。因此当在WASP-121b黑夜面探测到丰富甲烷时，结果完全出人意料。

为解释此现象，团队提出甲烷气体必须在黑夜面快速补充以维持高丰度。合理机制涉及强劲垂直气流将甲烷从低层大气抬升——得益于黑夜面相对低温及大气高碳氧比，该区域富含甲烷。"这对系外行星动力学模型提出挑战，需调整模型以复现WASP-121b黑夜面的强垂直混合现象，"埃文斯-索马表示。

JWST的发现贡献

团队利用JWST近红外光谱仪（NIRSpec）观测WASP-121b完整公转周期。行星自转时，其表面热辐射随之变化，使不同区域的受照大气暴露于望远镜。这使团队得以解析行星昼夜面的状态与化学成分。

天文学家还捕捉了行星凌星过程。此阶段部分星光穿透行星大气边缘，留下揭示化学成分的光谱指纹。此类测量对昼夜面气体混合的过渡区尤为敏感。"新获得的透射光谱证实了发射数据检测到的一氧化硅、一氧化碳与水分子，"加普指出，"但在昼夜过渡区未发现甲烷。"

补充信息

参与本研究的MPIA科学家包括：托马斯·M·埃文斯-索马（亦任职于澳大利亚纽卡斯尔大学）、西里尔·加普（亦任职于海德堡大学）、伊娃-玛丽亚·阿尔、邓肯·A·克里斯蒂、杰玛·鲁塞瓦（亦任职于英国圣安德鲁斯大学）及劳拉·克赖德伯格。

其他合作者包括：大卫·K·辛（美国巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学）、乔安娜·K·巴斯托（英国米尔顿凯恩斯开放大学）、安贾利·A·A·皮耶特（英国伯明翰大学及美国华盛顿卡内基科学研究所）、杰克·泰勒（英国牛津大学）、乔舒亚·D·洛思林格（美国巴尔的摩太空望远镜研究所及犹他谷大学）、杰耶什·M·戈亚尔（印度奥里萨邦国家科学教育与研究所）。

NIRSpec是欧洲航天局（ESA）对韦伯任务的贡献部件，由空中客车防务与航天公司（ADS）领导的欧洲企业联盟建造。美国宇航局戈达德太空飞行中心提供两个子系统（探测器和微快门）。MPIA负责采购NIRSpec光栅轮电子元件。