科学家在系外行星蛋糕混合物中发现了一种令人惊讶的成分——二氧化硫

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一位艺术家对GJ 3470b在其恒星前的印象，周围是从大气层中剥离的氢云。（图片来源：NASA/ESA/D.Player（STScI））

据美国太空网（Keith Cooper）：一颗“热海王星”系外行星被发现其大气层中含有二氧化硫，当该行星每隔三天半在陡峭倾斜的轨道上绕恒星两极运行时，大气层也会喷涌而出。

当詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）发现这颗距离地球96光年的系外行星GJ 3470b时，它的大气层中二氧化硫的存在令人震惊。

威斯康星大学麦迪逊分校的sThomas Beatty在一份声明中说：“我们没想到会在这么小的行星上看到二氧化硫，在一个我们没想到的地方看到这种新分子是令人兴奋的，因为它为我们提供了一种新的方法来了解这些行星是如何形成的。”。“小行星尤其有趣，因为它们的成分实际上取决于行星形成过程的发生方式。”

GJ 3470b的一切告诉我们，它有着引人入胜和多事的历史。

行星形成于气体和尘埃的圆盘中，围绕与恒星旋转轴对齐的平面旋转。在我们的太阳系中，我们可以看到这个圆盘的证据，从水星到海王星的所有行星都在黄道平面上运行。另一方面，GJ 3470b沿着一条相对于其冷红矮星的旋转轴倾斜89度的路径运行。换句话说，它处于一个陡峭的轨道上，在恒星的两极上空盘旋。行星通常不会在这样的轨道上形成。

GJ 3470b的质量是地球质量的13.9倍，直径约为木星的40%，是一个膨胀的气袋。当这些行星靠近它们的恒星时，天文学家称它们为“热海王星”。GJ 3470b的大气温度为325摄氏度（617华氏度）；海王星在太阳系中的温度为-200摄氏度（-330华氏度）。

目前的行星形成模型描述了气态巨星通常是如何在距离恒星更远的地方形成的，而不是岩石行星，在气体更丰富的寒冷深处。然而，GJ 3470b的轨道距离其恒星只有530万公里（330万英里）。相比之下，水星是离太阳最近的行星，其轨道距离我们的恒星平均为5800万公里（3600万英里），尽管与我们的太阳系相比，红矮星系统通常会缩小规模。

通常，我们预计GJ 3470b会在更远的地方形成，然后由于与恒星的行星形成盘的相互作用而向内迁移。与此同时，科学家们通常会怀疑，世界会因与另一颗行星的引力相互作用而被挤出轨道平面，甚至可能是由一颗近距离掠过的恒星引起的剧变。

然而，地球的大气混合表明情况并非如此。

尽管JWST探测到了其中的分子，如二氧化硫，GJ 3470b的大气层仍然绝大多数是由氢和氦组成的，甚至比我们太阳系中的气体行星还要多——哈勃太空望远镜在2019年发现了这一事实。因此，提出的解释是，GJ 3470b实际上是在其恒星附近形成的，是一颗岩石行星，然后形成了几乎纯氢和氦的厚大气层——但目前，这只是一个假设。这就是为什么JWST对二氧化硫的检测如此重要，因为它的存在有助于区分行星形成的不同理论。

由于GJ 3470b凌日，天文学家可以进行所谓的“透射光谱”，二氧化硫的探测才得以曝光。当它的母恒星发出的光穿过GJ 3470 b的大气层时，世界大气层中的分子吸收了一些星光，在恒星的光谱中留下了暗吸收线。

然而，要弄清楚这些吸收线是很困难的，尤其是对于可能被毫无特色的薄雾覆盖的炎热海王星来说。

Beatty说：“问题是，每个人都在观察这些行星，通常每个人都会看到平坦的线条。”。“但当我们观察这个星球时，我们真的没有得到一条平坦的线。”

相反，JWST能够确认二氧化碳、甲烷和水蒸气的吸收线，并首次检测到该地区的二氧化硫。这实际上使GJ 3470b成为迄今为止已知的大气层中含有二氧化硫的最轻、最冷的系外行星。先前的探测与温度超过1000摄氏度（1830华氏度）的高温木星的大气层有关。

Beatty说：“在GJ 3470b这样小的行星中发现二氧化硫，为我们提供了行星形成成分表上更重要的一项。”。

研究小组认为，硫最初可能是硫化氢中的一种成分。然而，由于GJ 3470b的轨道离其恒星如此之近，来自恒星本体的紫外线具有足够强大的冲击力，可以轻易地将大气分子分解，从而导致一种由破碎的分子成分与其他原子和分子重新结合形成的化学搅乱。一个硫原子与两个氧原子结合形成二氧化硫。

然而，这颗行星的母恒星不仅仅分解大气分子；从这些分子中释放出来的氢可以完全从行星上剥离出来。GJ 3470b因此在我们眼前蒸发，恒星风逐渐将其大气层吹向太空，留下一股氢气流。据估计，这颗行星已经失去了其原始质量的40%。

Beatty表示，大气层中二氧化硫的存在、无法解释的倾斜轨道以及GJ 3470b正在永远急剧变化的质量损失，都是这颗奇怪而奇妙的行星起源的重要线索。

他说：“这些都是创造这颗特殊行星的配方中的重要步骤，可以帮助我们了解像它这样的行星是如何形成的。”。

Beatty在6月10日举行的美国天文学会第244次会议上公布了这一结果，并已被《天体物理杂志快报》接受发表。