韦伯望远镜揭示超热系外行星WASP-121b的起源

WASP-121b是一颗超热巨行星，其绕宿主恒星运行的轨道距离仅约为恒星直径的两倍，公转周期约为30.5小时。该行星呈现出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；另一个则是永恒黑夜面，温度降至1500摄氏度。

"白昼面温度极高，足以使耐火材料——通常指耐强热的固体化合物——以气态成分存在于行星大气中，"托马斯·埃文斯-索马解释道。他是德国海德堡马克斯·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极大的化合物丰度，为行星形成演化提供了线索。"气态物质比液态和固态更易识别，"MPIA学生西里尔·加普指出，他是今日发表于《天文期刊》第二篇研究的第一作者。"由于众多化合物以气态形式存在，天文学家将WASP-121b作为天然实验室来探测行星大气特性。"

团队推断WASP-121b可能聚集了大部分气体，其形成区域温度既低至能让水保持冻结状态，又高到足以使甲烷（CH₄）蒸发为气态。行星形成于年轻恒星周围的气体尘埃盘中，此类条件出现在恒星辐射产生适宜温度的距离带。

在太阳系中，这个区域位于木星与天王星轨道之间。考虑到WASP-121b如今危险地贴近宿主恒星表面运行，这表明它在形成后经历了从寒冷外围区域到行星系统中心的漫长迁移。

重构WASP-121b的多舛青年期

硅元素以一氧化硅（SiO）气体形式被检测到，但它最初是通过星子（本质上是小行星）携带的石英等岩石材料进入行星的，当时行星已获取大部分气体包层。星子形成需要时间，表明该过程发生在行星发育后期。

"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黏合，逐渐成长为厘米至米级的砾石。它们吸引周围气体和小颗粒，加速生长。这些是WASP-121b等未来行星的雏形。周围气体的阻力使移动的砾石螺旋向恒星内部迁移。迁移过程中，其内部的冰在星盘较热的内区开始蒸发。

当新生行星绕恒星运行时，它们可能生长到足以在原行星盘中开辟巨大间隙。这阻止了砾石向内漂移及冰物质的供应，但仍留有充足气体以构建延伸大气层。

对WASP-121b而言，该过程似乎发生在甲烷砾石蒸发的区域，使行星获取的富碳气体增加。而水冰砾石保持冻结状态，锁住了氧元素。这完美解释了为何埃文斯-索马和加普观测到行星大气碳氧比高于宿主恒星。当富氧砾石流停止后，WASP-121b持续吸收富碳气体，最终确定了其大气包层的组成。

甲烷探测需强垂直气流

大气温度变化时，甲烷和一氧化碳等分子丰度预期会改变。在WASP-121b白昼面的超高温下，甲烷极不稳定，无法以可检测量存在。天文学家已确认，对于此类行星，白昼面气体向较冷黑夜面混合的速度，应快于气体成分适应低温的速度。按此推论，黑夜面甲烷丰度应与白昼面同样可忽略。因此当在WASP-121b黑夜面检测到丰富甲烷时，结果完全出人意料。

为解释此现象，团队提出黑夜面甲烷必须快速补充以维持高丰度。合理的机制是强垂直气流将甲烷从低层大气提升——得益于黑夜面较低温度及大气高碳氧比，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的突破性贡献

团队使用JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）全程观测WASP-121b绕恒星运行的完整轨道。行星自转时，其表面散发的热辐射不断变化，使望远镜能捕捉受辐射大气的不同区域。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时的数据。此阶段部分星光穿透行星大气边缘，遗留的光谱指纹揭示了其化学成分。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、一氧化碳和水，"加普指出，"但在昼夜交界过渡带未发现甲烷。"

补充信息

参与研究的MPIA科学家包括：托马斯·M·埃文斯-索马（兼澳大利亚纽卡斯尔大学）、西里尔·加普（兼海德堡大学）、伊娃-玛丽亚·阿尔、邓肯·A·克里斯蒂、杰玛·鲁塞娃（兼英国圣安德鲁斯大学）和劳拉·克赖德伯格。

其他研究人员包括：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（英国伯明翰大学兼美国华盛顿卡内基科学研究所）、杰克·泰勒（英国牛津大学）、约书亚·D·洛辛格（美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所兼美国奥勒姆犹他谷大学）、以及贾耶什·M·戈亚尔（印度奥里萨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，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了两个子系统（探测器和微快门）。MPIA负责采购NIRSpec光栅轮电子元件。