韦伯望远镜揭示超热系外行星WASP-121b的惊人起源

WASP-121b是一颗超热巨行星，其公转轨道距离宿主恒星仅约恒星直径的两倍，公转一周约需30.5小时。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；另一个是永恒的黑夜面，温度降至1500摄氏度。

"白昼面温度高到足以让难熔材料——通常是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。他领导了今日发表在《自然·天文学》上的这项研究。

揭示WASP-121b的诞生地

该团队研究了在迥异温度下蒸发的化合物丰度，为行星的形成与演化提供了线索。"气态物质比液体和固体更易识别，"MPIA学生西里尔·加普指出，他是今日发表在《天文学杂志》上第二项研究的主要作者。"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很可能在某个足够寒冷使水保持冻结、又足够温暖让甲烷（CH₄）蒸发并以气态形式存在的区域聚集了大部分气体。由于行星形成于年轻恒星周围的气体和尘埃盘中，这种情况发生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。考虑到WASP-121b现在危险地靠近其宿主恒星表面运行，这显得意义非凡。这表明它在形成后，从寒冷的外围区域经历了漫长旅程才抵达行星系统的中心。

重建WASP-121b的多舛青年期

硅以一氧化硅（SiO）气体形式被检测到，但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理解这颗行星如何形成并获取物质提供了线索。"——托马斯·埃文斯-索马

行星形成始于冰尘颗粒，它们相互粘附逐渐增长为厘米至米大小的鹅卵石。这些鹅卵石吸引周围气体和小颗粒，加速自身生长。它们是未来行星（如WASP-121b）的种子。周围气体的阻力使移动的鹅卵石螺旋向内朝向恒星迁移时，其内部的冰在圆盘较温暖的内部区域开始蒸发。

当新生行星绕宿主恒星运行时，它们可能生长到足够大，在原行星盘中打开巨大间隙。这阻止了鹅卵石的内向漂移和内部冰的供应，但仍留有足够气体来构建延伸的大气层。

就WASP-121b而言，这似乎发生在甲烷鹅卵石蒸发的区域，使行星供给的气体富含碳元素。相反，水冰鹅卵石保持冻结状态，锁住了氧元素。该情景完美解释了为何埃文斯-索马和加普在行星大气中观测到比其宿主恒星更高的碳氧比。在富氧鹅卵石流停止后，WASP-121b持续吸引富碳气体，最终设定了其大气包层的组成。

甲烷探测需要强劲垂直气流

随着大气温度变化，甲烷和一氧化碳等不同分子的数量预期会改变。在WASP-121b白昼面的超高温下，甲烷极不稳定，不会以可探测的量存在。天文学家已确定，对于WASP-121b这类行星，白昼半球的气体被混合到相对寒冷的黑夜半球的速度，应快于气体成分适应低温的速度。在此情形下，预期黑夜面的甲烷丰度应与白昼面同样微不足道。因此当科学家在WASP-121b黑夜面探测到大量甲烷时，这完全出乎意料。

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其高丰度。一个合理的机制涉及强劲垂直气流将甲烷气体从低层大气抬升——由于黑夜面相对低温加上大气高碳氧比，低层富含甲烷。"这对系外行星动力学模型提出了挑战，可能需要调整模型以复现我们在WASP-121b黑夜间发现的强烈垂直混合，"埃文斯-索马表示。

詹姆斯·韦伯太空望远镜的贡献

团队使用韦伯望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）在整个公转周期内观测WASP-121b。随着行星自转，其表面接收的热辐射发生变化，使不同区域的受照大气暴露在望远镜下。这使得团队得以表征行星昼夜面的状态和化学成分。

天文学家还捕捉了行星凌星（经过恒星前方）的观测。此阶段部分恒星光线穿透行星大气边缘，留下揭示其化学成分的光谱指纹。这类测量对昼夜面气体混合的过渡区特别敏感。"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·鲁塞娃（亦任职于英国圣安德鲁斯大学）以及劳拉·克赖德伯格。

其他研究人员包括：戴维·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）、约书亚·D·洛思林格（美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所及美国奥勒姆犹他谷大学）以及贾耶什·M·戈亚尔（印度奥里萨邦国家科学教育研究所）。

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。