被拉成“檸檬”的行星

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翻譯：王婧彧

校對：申振宇 劉海牧

審閱：繆征一

美編：毫秒

后臺：李子琦

https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251227004146.htm

被拉成“檸檬”的行星

這幅藝術(shù)概念圖展示了名為 PSR J2322-2650b 的系外行星（左）可能的外觀：它繞著一顆快速自轉(zhuǎn)的中子星——脈沖星（右）運行。由于這顆質(zhì)量遠(yuǎn)大于行星的脈沖星的引力作用，這顆木星質(zhì)量的行星被拉伸成一種怪異的檸檬形。

圖源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

科學(xué)家利用NASA的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）觀測到了一種此前未知的系外行星類型——其大氣性質(zhì)挑戰(zhàn)了當(dāng)前行星的形成理論。

這顆新觀測到的天體呈細(xì)長的檸檬狀，甚至可能在內(nèi)部深處含有鉆石。它的奇特特征使其難以歸類，介于天文學(xué)家通常所認(rèn)為的行星與恒星之間。

前所未有的“碳世界”

這一天體的正式名稱為 PSR J2322-2650b，其大氣層主要由氦和碳組成，而不是多數(shù)已知系外行星中常見的氣體。它的質(zhì)量與木星相當(dāng)，行星外層被黑暗、類似煙塵的云層籠罩。在行星內(nèi)部極端高壓之下，科學(xué)家認(rèn)為這些云中的碳可能被壓縮成鉆石。該行星圍繞一顆快速自轉(zhuǎn)的中子星運行。

盡管已有細(xì)致觀測，這顆行星究竟如何形成仍是未知數(shù)。“這顆行星繞著一顆完全怪異的恒星運行——質(zhì)量相當(dāng)于太陽，但大小卻只有一座城市那么大，”芝加哥大學(xué)天體物理學(xué)家邁克爾·張（Michael Zhang）說。他是這項研究的首席研究者，論文已被《天體物理學(xué)報通訊》接收發(fā)表。“這是此前從未見過的一種新型行星大氣。”

“這完全出乎意料，”華盛頓特區(qū)卡內(nèi)基地球與行星實驗室的彼得·高（Peter Gao）說。“我記得數(shù)據(jù)下載之后，我們所有人的反應(yīng)都是：‘這到底是什么鬼？’”

一顆繞脈沖星運行的行星

PSR J2322-2650b 繞行的母星是一顆中子星，也稱為脈沖星，其自轉(zhuǎn)速度快得驚人。脈沖星會從磁極以毫秒級的間隔發(fā)射強(qiáng)大的電磁輻射束。其中大部分輻射以伽馬射線及其他高能粒子的形式存在，這些輻射無法被韋布的紅外儀器探測到。

由于這顆恒星本身不會使韋布的探測器過載，研究人員得以在行星整個軌道周期內(nèi)持續(xù)觀測它。這種情況非常罕見，因為多數(shù)恒星的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其周圍的行星。

“這個系統(tǒng)很獨特，因為我們能夠看到行星被其母星照亮，但幾乎完全看不到母星本身，”參與建立行星形狀與軌道模型的斯坦福大學(xué)研究生瑪雅·貝萊茲奈（Maya Beleznay）說。“因此我們獲得了非常純凈的光譜，也能比研究普通系外行星更深入地分析這個系統(tǒng)。”

令人震驚的大氣發(fā)現(xiàn)

當(dāng)科學(xué)家分析這顆行星的大氣光譜特征時，發(fā)現(xiàn)了完全出乎意料的結(jié)果。“我們沒有看到通常期望在系外行星上出現(xiàn)的分子——比如水、甲烷和二氧化碳——而是看到了分子碳，具體來說是 C3 和 C2，”張說。

行星內(nèi)部的極端壓力可能使這些碳發(fā)生結(jié)晶，從而在表面之下深處形成鉆石。然而，最令人費解的問題仍未解開：“很難想象你怎么會得到如此極端的富碳成分，”張說。“這似乎排除了所有已知的形成機(jī)制。”

致命“擁抱”中的行星

PSR J2322-2650b 距離母星異常之近，僅約 160 萬公里。相比之下，地球距離太陽約 1.6 億公里。由于距離極近，這顆行星只需 7.8 小時就能完成一周公轉(zhuǎn)。

研究人員通過建模行星在運動過程中亮度的細(xì)微變化，推斷出質(zhì)量遠(yuǎn)大于行星的脈沖星施加的強(qiáng)烈引力正在把行星拉伸成檸檬狀。

該系統(tǒng)可能屬于一種罕見類型——“黑寡婦”系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，一顆高速自轉(zhuǎn)的脈沖星與一個更小、低質(zhì)量的伴星配對。在早期階段，伴星的物質(zhì)會流向脈沖星，增加其自轉(zhuǎn)速度，并驅(qū)動強(qiáng)大的粒子風(fēng)。該粒子風(fēng)再加上強(qiáng)烈輻射，會逐漸剝離較小天體的物質(zhì)。

就像其名稱所指的蜘蛛一樣，脈沖星會慢慢“吞噬”它的伴侶。但在這個案例中，這個伴星被國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）歸類為系外行星，而不是恒星。

“這東西是像正常行星那樣形成的嗎？不是，因為它的成分完全不同，”張說。“它是通過剝離一顆恒星的外層形成的嗎——就像‘典型’黑寡婦系統(tǒng)那樣？可能也不是，因為核物理過程不會產(chǎn)生純碳。”

科學(xué)家迫切想解開的謎題

斯坦福大學(xué)及卡夫利粒子天體物理與宇宙學(xué)研究所的羅杰·羅馬尼（Roger Romani）是全球研究黑寡婦系統(tǒng)的頂尖專家之一。他提出了一種關(guān)于該行星奇特大氣的可能解釋。

“當(dāng)伴星冷卻時，內(nèi)部的碳和氧混合物開始結(jié)晶，”羅馬尼說。“純碳晶體會浮到上層并混入氦中，這就是我們觀測到的成分。但隨后還必須發(fā)生某些過程，才能把氧和氮排除在外——而這正是爭議所在。”

“不過，不是什么都知道也挺好，”羅馬尼補(bǔ)充道。“我期待進(jìn)一步了解這種大氣的怪異之處。能有一個值得探求的謎題是非常棒的。”

為什么韋布望遠(yuǎn)鏡是關(guān)鍵

這項發(fā)現(xiàn)之所以成為可能，得益于詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡對紅外信號的高靈敏度以及其獨特的觀測條件。韋布位于距離地球約 160 萬公里的位置，并使用巨大的遮陽板讓儀器保持極低溫度，這對探測微弱的紅外信號至關(guān)重要。

“在地球上，很多東西都是熱的，而熱量會嚴(yán)重干擾觀測，因為那也是你必須處理的光子來源，”張說。“從地面觀測絕對不可行。”

責(zé)任編輯：楊宜修

牧夫新媒體編輯部

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“黑寡婦”系統(tǒng)藝術(shù)想象圖

圖源：NASA

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