亞海王星是比氣態巨行星更小、溫度比熱木星更低的行星，長期以來一直是天文學家難以捉摸的目標。盡管亞海王星是銀河系中最常見的系外行星類型，但它們并不存在于我們的太陽系中，直到最近，我們對它們的了解也非常有限。它們相對較小的體積和較低的溫度使得它們的研究尤為困難——至少在更棘手的是，大多數亞海王星都被厚厚的云層或霧霾所籠罩，遮擋了大氣的化學特征。

但這正是最近對TOI-421 b的觀測如此激動人心的原因。借助韋伯望遠鏡強大的儀器，科學家們終于能夠穿透這層霧霾，揭示這顆行星的大氣成分。

這些發現提出了一些重大問題：TOI-421 b 的形成過程與我們之前研究過的較冷的亞海王星是否不同？它是否代表著一類全新的高溫、無霧霾的亞海王星？又或者，我們只是剛剛開始探索太陽系外行星的驚人多樣性？多虧了韋伯太空望遠鏡，研究人員現在比以往任何時候都更接近答案。

這幅藝術概念圖展示了熾熱的亞海王星系外行星TOI-421 b的可能形態。TOI-421 b位于天兔座，繞一顆距離地球約244光年的類太陽恒星運行。這顆行星的大小、質量和密度介于地球和海王星之間，其恒星比太陽略小且溫度更低。然而，由于這顆行星的軌道極其靠近恒星（僅0.056個天文單位，相當于地球與太陽距離的5.6%），因此溫度非常高。圖片來源：NASA、ESA、CSA、Dani Player（STScI）

雖然沒有亞海王星繞太陽運行，但它們是銀河系中最常見的系外行星（即太陽系外的行星）。這些致密、富含氣體的行星通常隱藏在厚厚的霧霾之下，使其真實面貌難以捉摸——直到現在。利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡觀測高溫亞海王星TOI-421 b，科學家們首次開始對這些行星進行詳細探測。

“我的整個職業生涯都在等待韋伯望遠鏡的到來，以便我們能夠更深入地了解這些較小行星的大氣層，”馬里蘭大學帕克分校首席研究員伊麗莎·肯普頓說道。“通過研究它們的大氣層，我們能夠更好地理解亞海王星是如何形成和演化的，而這其中的一部分意義在于理解為什么它們不存在于我們的太陽系中。”

亞海王星：常見卻又神秘

直到美國宇航局的開普勒任務在過去十年中發現了亞海王星，天文學家才知道它們的存在。雖然亞海王星比地球大幾倍，但它們比氣態巨行星小得多，而且通常比熱木星溫度更低，這使得早期的望遠鏡很難研究它們。

在韋伯望遠鏡之前，科學家們對它們知之甚少。雖然亞海王星比地球大幾倍，但它們仍然比氣態巨行星小得多，而且通常比熱木星溫度更低，這使得它們的觀測難度遠高于氣態巨行星。

在韋伯望遠鏡發射之前，一項關鍵發現是，大多數亞海王星大氣的透射光譜平坦或毫無特征。這意味著，當科學家觀察行星經過其主恒星前方時的光譜時，他們看到的只是一條平線光譜，而不是光譜特征——那些能夠揭示大氣成分的化學指紋。天文學家根據所有這些平線光譜得出結論，至少某些亞海王星可能被云層或霧霾嚴重遮蔽。

美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡捕捉到的透射光譜顯示，在位于海王星下方的高溫系外行星TOI-421 b的大氣中，存在水（H2O），可能還存在二氧化硫（SO2）和一氧化碳（CO），但沒有二氧化碳（CO2）或甲烷（CH4）的跡象。這些觀測結果支持了這樣的假設：如此高溫的行星（TOI-421 b的溫度約為700攝氏度）擁有清澈的大氣層，沒有被云層和霧霾遮蔽。圖片來源：美國宇航局、歐空局、加拿大空間局、約瑟夫·奧姆斯特德（空間望遠鏡研究所）

無霧霾的候選星球出現

“我們為什么要觀察這顆行星，TOI-421 b？因為我們認為它可能不會有霧霾，”肯普頓說。“原因是之前的一些數據暗示，在一定溫度范圍內，行星受霧霾或云層的遮蔽可能比其他行星要少。”

這個溫度閾值大約是1070華氏度（約470攝氏度）。低于這個溫度，科學家們假設陽光和甲烷氣體之間會發生一系列復雜的光化學反應，從而引發霧霾。但更熱的行星不應該有甲烷，因此或許也不應該有霧霾。

TOI-421b的溫度約為710攝氏度（約730攝氏度），遠高于預期的閾值。由于沒有霧霾或云層，研究人員預計會看到清晰的大氣層——結果確實如此！

“我們看到了歸因于各種氣體的光譜特征，這使我們能夠確定大氣的成分，”馬里蘭大學三年級博士生布萊恩·達文波特（Brian Davenport）說道，他負責主要數據的分析。“而對于之前觀測到的許多其他亞海王星，我們知道它們的大氣是由某種物質構成的，但它們被霧霾遮擋了。”

研究團隊在該行星大氣中發現了水蒸氣，以及一氧化碳和二氧化硫的初步跡象。此外，還有一些他們未檢測到的分子，例如甲烷和二氧化碳。根據這些數據，他們還可以推斷出TOI-421 b的大氣中存在大量的氫氣。

輕質氫大氣層令研究人員大吃一驚。“我們最近一直認為韋伯望遠鏡觀測到的最初幾個亞海王星擁有重分子大氣層，所以這成了我們的預期，但后來我們發現了相反的結果，”肯普頓說道。這表明TOI-421 b的形成和演化可能與之前觀測到的較冷亞海王星不同。

輕盈、富含氫的大氣層

以氫為主的大氣層也很有意思，因為它模擬了TOI-421 b主恒星的成分。“如果你把構成主恒星的氣體放在行星大氣層之上，再將其置于比這顆行星低得多的溫度下，你就會得到相同的氣體組合。這個過程更符合我們太陽系中的巨行星，而且與韋伯望遠鏡迄今為止觀測到的其他亞海王星不同，”肯普頓說。

TOI-421 b 除了比韋伯望遠鏡此前觀測到的其他亞海王星更熱之外，還圍繞著一顆類似太陽的恒星運行。迄今為止觀測到的其他亞海王星大多圍繞著體積更小、溫度更低的紅矮星運行。

TOI-421b 是否象征著圍繞類太陽恒星運行的熱亞海王星，還是系外行星本身就具有多樣性？為了找到答案，研究人員希望觀測更多熱亞海王星，以確定這只是個例還是一種普遍趨勢。他們希望深入了解這些常見系外行星的形成和演化。

探索新領域

“我們開辟了一種觀察這些亞海王星的新途徑，”達文波特說。“這些高溫行星易于表征。因此，通過觀察這種溫度的亞海王星，我們或許更有可能加速了解這些行星的能力。”

該團隊的研究結果于 5 月 5 日發表在《天體物理學雜志快報》上。

編譯自/ScitechDaily