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韋伯望遠鏡揭示超熱系外行星 WASP-121b 的起源

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一項利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)數據的新研究幫助科學家們進一步了解了遙遠行星WASP-121b的形成過程。這項研究由天文學家托馬斯·埃文斯-索瑪和西里爾·加普領導,重點研究了該行星大氣中的關鍵分子,以更好地了解其歷史及其在太空中的運動。


WASP-121b是一顆溫度極高的氣態巨行星,它被鎖定在一條緊密環繞其恒星的軌道上——如此近的距離,以至于它只需30.5小時就能完成一次完整的公轉。這顆行星的一側始終面向恒星,溫度超過3000攝氏度;而另一側則永遠處于黑暗之中,溫度約為1500攝氏度。

利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的近紅外光譜儀 (NIRSpec),研究團隊探測到了水蒸氣 (H?O)、一氧化碳 (CO)、一氧化硅 (SiO) 和甲烷 (CH?)。這些信號非常強;水的顯著性值在 5.5–13.5σ 處被發現,一氧化碳的顯著性值在 10.8–12.8σ 處被發現,二氧化硅的顯著性值在 5.7–6.2σ 處被發現,而背側的甲烷的顯著性值在 3.1–5.1σ 處被發現。

有趣的是,研究人員發現了難熔元素(通常在高溫下保持固態的物質,例如硅、鐵和鎂)和揮發性物質(例如水和甲烷)。通常,由于它們的信號出現在光譜的不同部分,很難一次性檢測到它們。埃文斯-索瑪解釋說:“日照面的溫度足夠高,難熔物質——通常是耐高溫的固體化合物——可以作為行星大氣的氣態成分存在。”


這幅藝術概念圖展示了WASP-121b如何繞其主恒星運行。

通過將探測到的元素與行星母恒星的成分進行比較,研究團隊發現該行星的碳、氧和硅含量高于預期。這些高于恒星的數值——被稱為超恒星豐度——表明該行星是通過聚集富含氣體的卵石和巖石行星而形成的。Gapp表示:“氣態物質比液態和固態物質更容易識別。由于許多化合物都以氣態形式存在,天文學家將WASP-121b用作天然實驗室,以探測行星大氣的特性。”

這顆行星可能形成于其原始氣塵盤較冷的區域——距離足夠遠,足以讓水保持冰凍狀態,但又足夠溫暖,足以讓甲烷變成氣體。這種環境類似于我們太陽系中木星和天王星之間的區域。后來,這顆行星很可能更靠近其恒星。

另一個令人驚訝的發現是背陰面的甲烷。根據已知模型,甲烷不應該大量存在,因為來自炎熱背陰面的空氣應該會迅速與較冷的背陰面混合,并分解甲烷。但埃文斯-索瑪表示:“這挑戰了系外行星動力學模型,這些模型可能需要進行調整,才能重現我們在WASP-121b背陰面發現的強烈垂直混合現象。”

甲烷一定是被強勁的垂直風從大氣層深處吹上來的。由于溫度較低且碳氧比較高,這些低層大氣富含甲烷。

該團隊收集了該行星整個軌道以及其經過恒星前方時的數據。在凌日期間,一些星光穿過了行星稀薄的外層大氣,幫助科學家們確定了行星的化學成分。加普解釋說:“新出現的透射光譜證實了根據排放數據探測到的一氧化硅、一氧化碳和水。然而,我們在晝夜過渡區沒有發現甲烷。”

來源:馬克斯·普朗克天文研究所、《自然》

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