詹姆斯·韋布望遠鏡首次捕捉到巖質系外行星存在大氣的強有力證據

英美科研團隊近日利用美國宇航局詹姆斯·韋布空間望遠鏡，對一顆名為 TOI-561 b 的超熱“超級地球”開展長時間觀測，發現這顆巖質系外行星極有可能被致密大氣層包裹，其下覆蓋著全球性的巖漿洋，為“小行星難以保住大氣”的傳統認知提出了嚴峻挑戰。 相關成果已于 2025 年 12 月 11 日發表在《天體物理學快報》上。

TOI-561 b 的半徑約為地球的 1.4 倍，繞母恒星公轉一周不到 11 小時，屬于極少見的“超短周期系外行星”。 這顆行星圍繞一顆略小且略冷于太陽的恒星運行，但軌道半徑不足一百萬英里，僅約為水星—太陽距離的四十分之一，長期受到強烈輻射轟擊。 在如此近距離上，行星被認為處于潮汐鎖定狀態，一面永遠面對恒星，其白晝面溫度遠高于普通巖石的熔點。

研究團隊指出，TOI-561 b 的整體密度顯著低于“類地組成”模型的預期，這是本次研究的關鍵出發點。 以第一作者、卡內基科學研究所地球與行星實驗室研究員 Johanna Teske 為代表的科學家表示，僅靠較小的鐵核或低密度地幔并不足以解釋觀測數據，行星周圍存在一層富含揮發物的厚大氣層，才是更合理的答案。 更為特別的是，這顆行星圍繞一顆年齡約為太陽兩倍、金屬豐度較低、位于銀河系厚盤區的古老恒星運行，其化學環境與太陽系行星形成時大不相同，可能代表宇宙早期形成行星的一類典型樣本。

為了驗證大氣假說，團隊利用韋布望遠鏡的近紅外光譜儀 NIRSpec，對這顆行星在公轉軌道中“從恒星背后掠過”時的系統亮度變化進行精密測量，從而推算其白晝面的輻射溫度。 如果 TOI-561 b 完全是一塊“裸露巖石”，沒有大氣把熱量輸送到夜面，其白晝面溫度應接近約 4900 華氏度（約 2700 攝氏度），但實際測得的溫度約為 3200 華氏度（約 1800 攝氏度），明顯低于無大氣情形的理論預期。 研究團隊嘗試用巖漿洋內部對流或表層巖石蒸汽薄層來解釋，但僅靠這些機制無法產生如此明顯的降溫效應。

參與研究的伯明翰大學等機構學者指出，要同時解釋密度偏低和白晝面“異常偏冷”這兩點，就需要一層較厚的、富含揮發性物質的大氣存在。 模型顯示，水蒸氣等氣體可以吸收來自巖漿表面的部分近紅外輻射，使望遠鏡探測到的輻射溫度偏低；同時，強烈的大氣環流可將熱量高效輸送到夜面，進一步拉低白晝面的溫度。 研究人員還認為，明亮的硅酸鹽云層反射恒星光，也可能為大氣降溫貢獻一部分作用。

盡管目前的證據傾向于支持“厚大氣+巖漿洋”的圖景，但一個棘手問題隨之而來：如此靠近恒星、飽受強烈輻射的小型行星，如何在數十億年間保住大量大氣物質？ 荷蘭格羅寧根大學的 Tim Lichtenberg 指出，行星內部的巖漿洋與大氣之間可能存在一種微妙的“揮發分平衡”，一方面氣體不斷從深部釋放補給大氣，另一方面大氣中的揮發物又持續被巖漿“溶解”回內部，使系統維持動態穩態。 研究團隊形象地將 TOI-561 b 描述為一個“極其富含揮發物的濕潤熔巖球”。

本次成果來自韋布望遠鏡常規觀測項目 3860，對該行星系統連續觀測超過 37 小時，期間 TOI-561 b 完成了近四個軌道周期。 科學家們正在對完整數據集進行進一步分析，希望繪制出這顆行星由晝到夜的溫度分布，并在未來更精確地推斷其大氣成分。 這一研究不僅為巖質系外行星是否能夠維持大氣提供了關鍵線索，也為理解早期宇宙中行星的形成與演化打開了新的窗口。

編譯自/ScitechDaily