韦伯太空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，其轨道距离母恒星仅约恒星直径的两倍，公转一周约30.5小时。该行星呈现两个截然不同的半球：一个始终朝向母恒星，局部温度超过3000摄氏度；另一个则是永恒的暗夜面，温度降至1500摄氏度。

"昼侧温度之高足以使耐火材料——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-索玛解释道。这位天文学家隶属于德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所（MPIA）及澳大利亚纽卡斯尔大学。他领导的研究发表于今日的《自然·天文学》。

揭示WASP-121b的诞生地

研究团队通过探测沸点差异极大的化合物丰度，揭示了行星形成与演化的线索。"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《天文学杂志》的第二项研究的第一作者。"鉴于众多化合物以气态形式存在，天文学家将WASP-121b用作天然实验室来探测行星大气的特性。"

团队推断WASP-121b可能在特定区域聚集了大部分气体：该区域温度低至水能保持冰冻状态，又足够温暖使甲烷（CH₄）蒸发为气态。由于行星在环绕年轻恒星的气体和尘埃盘中形成，这种条件出现在恒星辐射产生适宜温度的距离带。

在太阳系中，该区域位于木星与天王星轨道之间。这极具启发性——鉴于WASP-121b现今紧贴母恒星表面运行，表明它形成后经历了从冰冻外缘到行星系统中心的漫长迁移。

重构WASP-121b的多舛青年期

硅以一氧化硅（SiO）气体形态被检测到，但最初是通过星子（本质上是小行星）中的石英等岩石物质进入行星——此时行星已获取大部分气体包层。星子形成耗时漫长，表明该过程发生于行星发育后期。

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

行星形成始于冰尘粒子黏合，逐渐成长为厘米至米级的卵石。它们吸积周围气体和小颗粒，加速生长。这些正是WASP-121b等未来行星的雏形。气体阻力使移动的卵石螺旋坠向恒星，迁移过程中内含的冰在盘内较热区域开始蒸发。

当新生行星环绕母星运行时，其体积可能增长到足以在原行星盘中开辟巨大间隙。这阻断了卵石内迁和冰物质供给，但留有充足气体以构建延伸大气层。

对WASP-121b而言，该过程发生在甲烷卵石蒸发的区域，使行星吸积的气体富含碳元素。而水冰卵石保持冻结态，锁住了氧元素。这完美解释了为何埃文斯-索玛和加普观测到行星大气碳氧比高于母星——当富氧卵石流终止后，WASP-121b持续吸积富碳气体，最终奠定了其大气包层的组成。

甲烷检测需强垂直气流支撑

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超高温昼侧，甲烷极不稳定且无法达到可检测量级。天文学家已证实：此类行星昼侧气体涌向较冷夜侧的速度，远快于气体成分适应低温的速度。此情境下，夜侧甲烷应如昼侧般微量存在。因此当团队在WASP-121b夜侧检测到丰富甲烷时，结果完全出人意料。

为解释此现象，团队提出甲烷必须在夜侧被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抬升——得益于夜侧较低温度及大气高碳氧比，该区域富含甲烷。"这对外行星动力学模型提出挑战，需调整模型才能复现我们在WASP-121b夜侧发现的强垂直混合现象，"埃文斯-索玛表示。

韦伯望远镜的突破性贡献

团队利用韦伯近红外光谱仪（NIRSpec）全程观测了WASP-121b绕母星的完整轨道。行星自转时，其表面热辐射变化使望远镜能探测不同区域的受照大气，进而解析昼夜两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临边，遗留的光谱指纹揭示了其化学组成。此类测量对昼夜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、一氧化碳和水分子，"加普指出，"但在昼夜交界过渡带未发现甲烷。"

补充信息

MPIA参与本研究的科学家包括：托马斯·M·埃文斯-索玛（兼属澳大利亚纽卡斯尔大学）、西里尔·加普（兼属海德堡大学）、伊娃-玛丽亚·阿尔、邓肯·A·克里斯蒂、杰玛·鲁塞瓦（兼属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）、安贾莉·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研究所兼犹他谷大学）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）为韦伯任务提供的设备，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（探测器和微快门阵列）。MPIA负责采购NIRSpec光栅轮电子组件。