韦布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，每约 30.5 小时完成一周公转。该行星呈现出两个截然不同的半球：一个始终面向宿主恒星，局部温度超过 3000 摄氏度；另一个则是永恒的黑夜面，温度降至 1500 摄氏度。

"白昼侧的温度高到足以让难熔物质——通常是耐强热的固态化合物——成为行星大气的气态组成部分，"托马斯·埃文斯-索玛（Thomas Evans-Soma）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。他领导了今日发表在《自然·天文学》（Nature Astronomy）上的研究。

揭示 WASP-121b 的诞生地

研究团队调查了在极不同温度下蒸发的化合物的丰度，为揭示行星的形成和演化提供了线索。"气态物质比液体和固体更容易识别，"MPIA 学生、今日发表在《天文学报》（The Astronomical Journal）上第二篇研究的第一作者西里尔·加普（Cyril Gapp）指出。"由于许多化合物以气态形式存在，天文学家利用 WASP-121b 作为天然实验室来探测行星大气的特性。"

团队得出结论：WASP-121b 很可能在温度低到水能保持冻结、但又足够温暖使甲烷（CH₄）蒸发并以气态形式存在的区域积聚了大部分气体。由于行星形成于环绕年轻恒星的气体和尘埃盘内，这样的条件出现在恒星辐射产生适宜温度的距离上。

在我们太阳系中，该区域位于木星和天王星轨道之间的某处。鉴于 WASP-121b 现在危险地靠近其宿主恒星的表面运行，这一点非常引人注目。这表明它在形成后，从冰冷的外围区域进行了一次长途旅程，最终到达行星系统的中心。

重建 WASP-121b 多事的年轻时期

硅以一氧化硅（SiO）气体的形式被检测到，但它最初是通过储存在星子（本质上是小行星）中的石英等岩石材料进入行星的——这是在行星获取大部分气体包层之后发生的。星子的形成需要时间，表明该过程发生在行星发育的后期阶段。

"碳、氧和硅的相对丰度为了解这颗行星如何形成及获取物质提供了见解。" ——托马斯·埃文斯-索玛

行星形成始于冰冷的尘埃粒子，它们粘附在一起并逐渐增长至厘米至米大小的鹅卵石。它们吸引周围的气体和小颗粒，加速自身成长。这些是未来行星（如 WASP-121b）的种子。周围气体的阻力导致移动的鹅卵石螺旋向内朝向恒星迁移。随着迁移，其中嵌入的冰在盘内较温暖的内部区域开始蒸发。

当幼年行星围绕宿主恒星运行时，它们可能成长到足够大，在原行星盘中打开巨大缝隙。这阻止了鹅卵石的内向漂移和嵌入冰的供应，但留有足够的气体可用来构建延伸的大气层。

在 WASP-121b 的情况下，这似乎发生在一个甲烷鹅卵石蒸发的区域，富集了供应给行星的含碳气体。相比之下，水冰鹅卵石保持冻结状态，锁住了氧元素。该情景最能解释为何埃文斯-索玛和加普观测到行星大气中的碳氧比高于其宿主恒星。在富氧鹅卵石流停止后，WASP-121b 继续吸引富含碳的气体，从而设定了其大气包层的最终成分。

甲烷的探测需要强大的垂直气流

随着大气温度的变化，甲烷和一氧化碳等不同分子的含量预计会发生变化。在 WASP-121b 白昼侧的极高温度下，甲烷高度不稳定，不会以可检测的量存在。天文学家已确定，对于像 WASP-121b 这样的行星，来自白昼半球的气体应被混合到相对凉爽的黑夜半球的速度，快于气体成分能适应较低温度的速度。在此情形下，人们预计黑夜侧的甲烷丰度与白昼侧一样可忽略不计。当天文学家反而在 WASP-121b 的黑夜侧探测到大量甲烷时，这完全令人惊讶。

为解释这一结果，研究团队提出，黑夜侧的甲烷气体必须被迅速补充以维持其高丰度。一个合理的机制涉及强大的垂直气流将甲烷气体从较低的大气层提升上来，这些较低层因相对较低的黑夜侧温度加上大气的高碳氧比而富含甲烷。"这对系外行星动力学模型提出了挑战，后者可能需要调整以重现我们在 WASP-121b 黑夜侧发现的强垂直混合现象，"埃文斯-索玛表示。

詹姆斯·韦伯太空望远镜在发现中的作用

研究团队使用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的近红外光谱仪（NIRSpec）观测了 WASP-121b 绕宿主恒星完整公转一周的过程。随着行星绕轴自转，从其表面接收到的热辐射会发生变化，使其受辐照大气的不同部分暴露在望远镜下。这使得团队能够描述行星白昼侧和黑夜侧的条件及化学成分。

天文学家还在行星凌越其恒星前方时捕获了观测数据。在此阶段，部分星光穿过行星的大气临边，留下揭示其化学成分的光谱指纹。这类测量对白昼侧和黑夜侧气体混合的过渡区域尤为敏感。"新出现的光谱证实了利用发射数据探测到的一氧化硅、一氧化碳和水，"加普指出。"然而，我们在昼夜侧之间的过渡区域未能发现甲烷。"

补充信息

参与本研究的 MPIA 科学家包括托马斯·M·埃文斯-索玛（Thomas M. Evans-Soma，亦任职于澳大利亚纽卡斯尔大学）、西里尔·加普（Cyril Gapp，亦任职于海德堡大学）、伊娃-玛丽亚·阿勒（Eva-Maria Ahrer）、邓肯·A·克里斯蒂（Duncan A. Christie）、杰玛·鲁塞瓦（Djemma Ruseva，亦任职于英国圣安德鲁斯大学）和劳拉·克赖德贝格（Laura Kreidberg）。

其他研究人员包括戴维·K·辛（David K. Sing，美国巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学）、乔安娜·K·巴斯托（Joanna K. Barstow，英国米尔顿凯恩斯开放大学）、安贾莉·A·A·皮耶特（Anjali A. A. Piette，英国伯明翰大学和美国华盛顿卡内基科学研究所）、杰克·泰勒（Jake Taylor，英国牛津大学）、约书亚·D·洛辛格（Joshua D. Lothringer，美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所和美国奥勒姆犹他谷大学）以及杰耶什·M·戈亚尔（Jayesh M. Goyal，印度奥里萨邦国家科学教育与研究所（NISER））。

近红外光谱仪（NIRSpec）是欧洲航天局（ESA）对韦伯任务的贡献成果，由空中客车防务与航天公司（Airbus Defence and Space, 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 光栅轮的电学组件。