WASP

拓牛李强

据美国宇航局：为什么温暖的气体巨行星WASP-107b如此膨胀？两个独立的研究小组得出了答案。

使用美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜收集的数据，再加上美国国家航空宇航局哈勃太空望远镜先前的观测结果，显示该行星大气层中甲烷（CH4）少得惊人，这表明WASP-107 b的内部一定比之前估计的要热得多，核心的质量也比以前估计的要大得多。

这种出乎意料的高温被认为是由该行星略微非圆形的轨道引起的潮汐加热的结果，可以解释WASP-107 b是如何在不诉诸极端理论的情况下膨胀的。

韦伯非凡的灵敏度和测量穿过系外行星大气层的光的能力使这一结果成为可能，这可能解释了数十颗低密度系外行星的膨胀，有助于解开系外行星科学中一个长期存在的谜团。



根据美国国家航空航天局詹姆斯·韦伯太空望远镜最近收集的数据，以及美国国家航空宇航局哈勃太空望远镜和其他天文台之前的观测结果，这位艺术家的概念展示了温暖的海王星系外行星WASP-107 b的样子。哈勃的WFC3（宽视场相机3）、韦伯的NIRCam（近红外相机）、韦伯的NIRSpec（近红外光谱仪）和韦伯的MIRI（中红外仪器）捕捉到的观测结果表明，这颗行星有一个相对较大的核心，周围环绕着相对较小质量的氢气和氦气，由于内部的潮汐加热，氢气和氦气已经膨胀。来源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

WASP-107 b的问题

“暖海王星”系外行星WASP-107 b的体积超过木星的四分之三，但质量不到木星的十分之一，是已知密度最小的行星之一。虽然膨胀的行星并不罕见，但大多数都更热、质量更大，因此更容易解释。

亚利桑那州立大学（ASU）的路易斯·韦尔班克斯（Luis Welbanks）是今天发表在《自然》杂志上的一篇论文的主要作者，他解释道：“根据其半径、质量、年龄和假设的内部温度，我们认为WASP-107 b有一个非常小的岩石核心，周围环绕着大量的氢和氦。”。“但很难理解这样一个小的核心是如何吸收如此多的气体，然后无法完全成长为木星质量的行星的。”

如果WASP-107 b的核心有更多的质量，那么随着行星形成后的时间推移，大气应该会随着冷却而收缩。如果没有热源使气体重新膨胀，地球应该会小得多。尽管WASP-107 b的轨道距离只有500万英里（水星和太阳之间距离的七分之一），但它从恒星获得的能量不足，无法膨胀。

约翰斯·霍普金斯大学的David Sing说：“WASP-107 b对韦伯来说是一个非常有趣的目标，因为它比我们一直在研究的许多其他低密度行星，即热木星，温度要低得多，质量也更像海王星。”。“因此，我们应该能够探测到甲烷和其他分子，这些分子可以为我们提供有关其化学和内部动力学的信息，而这些信息是我们从更热的星球上无法获得的。”

大量以前无法检测到的分子

WASP-107 b的巨大半径、扩展的大气层和轨道边缘使其成为透射光谱的理想选择，透射光谱是一种根据它们对星光的影响来识别系外行星大气层中各种气体的方法。

结合韦伯的NIRCam（近红外相机）、韦伯的MIRI（中红外仪器）和哈勃的WFC3（宽视场相机3）的观测结果，韦尔班克斯的团队能够构建出被WASP-107 b大气层吸收的0.8至12.2微米的宽光谱。Sing的团队使用Webb的NIRSpec（近红外光谱仪）建立了一个覆盖2.7至5.2微米的独立光谱。

数据的准确性不仅可以检测，而且可以实际测量大量分子的丰度，包括水蒸气（H2O）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）和氨（NH3）。



这张透射光谱是用美国国家航空航天局的哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的，显示了气态巨系外行星WASP-107 b大气层阻挡的不同波长（颜色）的星光量。该光谱包括使用总共三种不同仪器在四次独立观测中收集的光：哈勃的WFC3（宽视场相机3）Grism光谱仪为绿色，韦伯的NIRCam（近红外相机）Grism分光仪为橙色，韦伯的MIRI（中红外仪器）低分辨率分光仪为粉红色。这一光谱显示了地球大气层中存在水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、二氧化硫（SO2）和氨（NH4）的明确证据，使研究人员能够估计核心的内部温度和质量。插图：美国国家航空航天局、欧空局、加拿大航天局、Ralf Crawford（STScI）科学：L.Welbanks（ASU）和JWST MANATEE团队



这张透射光谱是使用韦伯的NIRSpec（近红外光谱仪）明亮物体光谱仪拍摄的，显示了被气态巨系外行星WASP-107 b大气层阻挡的不同波长（颜色）的近红外星光的数量。该光谱显示了行星大气层中存在水（H2O）、二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）和二氧化硫（SO2）的明确证据，使研究人员能够估计内部温度和核心质量。插图：美国国家航空航天局、欧空局、加拿大航天局、拉尔夫·克劳福德（STScI）科学：D.Sing（JHU）和NIRSpec GTO凌日系外行星团队

沸腾气体、内部高温和块状堆芯

这两个光谱都显示出WASP-107 b大气中甲烷的惊人缺乏：是基于其假设温度的预期量的千分之一。

Sing解释道：“这证明了来自行星深处的热气一定与更高的较冷层剧烈混合。”。“甲烷在高温下是不稳定的。尽管我们确实检测到了其他含碳分子，但我们检测到的如此之少，这一事实告诉我们，地球内部一定比我们想象的要热得多。”

WASP-107 b额外内能的一个可能来源是其略微椭圆的轨道引起的潮汐加热。随着恒星和行星之间的距离在5.7天的轨道上不断变化，引力也在变化，拉伸行星并使其升温。

研究人员此前曾提出，潮汐加热可能是WASP-107 b浮肿的原因，但在韦伯研究结果出来之前，还没有证据。

一旦他们确定这颗行星有足够的内部热量来彻底搅乱大气层，研究小组就意识到，光谱也可以提供一种新的方法来估计核心的大小。

JHU的Daniel Thorngren解释道：“如果我们知道行星中有多少能量，知道行星中碳、氮、氧和硫等较重元素的比例，以及氢和氦的比例，我们就可以计算出核心必须有多少质量。”。

事实证明，核心的质量至少是最初估计的两倍，这对行星的形成方式更有意义。

总之，WASP-107 b并不像它曾经出现的那样神秘。

ASU的Mike Line解释道：“Webb数据告诉我们，像WASP-107 b这样的行星不必以某种奇怪的方式形成超小的核心和巨大的气体外壳。”。“相反，我们可以采取更像海王星的东西，有很多岩石，没有那么多气体，只需调高温度，然后把它调高，看起来像这样。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯正在解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由美国国家航空航天局及其合作伙伴欧空局和加拿大航天局领导的一个国际项目。