詹姆斯·韦伯太空望远镜首次观测到一颗系外行星的内部

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一位艺术家的WASP-107 b概念展示了行星气体外壳内的湍流大气混合。资料来源：Roberto Molar Candanosa/约翰斯·霍普金斯大学

据约翰霍普金斯大学（Roberto Molar Candanosa）：在类似棉花糖的行星WASP-107b中隐藏着数量惊人的低甲烷和超大核心。

根据詹姆斯·韦伯太空望远镜获得的数据，这些发现标志着首次对系外行星核心质量的测量，并可能为未来对行星大气层和内部的研究奠定基础，这是寻找太阳系以外宜居世界的一个关键方面。

首席作者、约翰斯·霍普金斯大学布隆伯格地球与行星科学杰出教授David Sing说：“观察数百光年外的行星内部听起来几乎是不可能的，但当你知道它的质量、半径、大气成分和内部的温度时，你就已经掌握了了解内部内容和核心有多重所需的所有信息。”。“这是我们现在可以为不同系统中的许多不同气体行星做的事情。”

今天发表在《自然》杂志上的这项研究表明，这颗行星的甲烷比预期少一千倍，核心质量是地球的12倍。

WASP-107b是一颗巨大的行星，被像棉花一样蓬松的灼热大气层包裹，围绕着一颗大约200光年外的恒星运行。它之所以膨胀是因为它的构造：一个木星大小的世界，质量只有木星的十分之一。

尽管它有甲烷——地球上生命的组成部分——但由于靠近母恒星且缺乏固体表面，这颗行星不被认为适合居住。但它可能为行星后期进化提供了重要线索。

在今天发表在《自然》杂志上的另一项研究中，其他科学家也用韦伯望远镜发现了甲烷，并对该行星的大小和密度提供了类似的见解。

Sing说：“我们想观察与我们太阳系中的气态巨星更相似的行星，它们的大气层中有大量甲烷。”。“这就是WASP-107 b的故事变得非常有趣的地方，因为我们不知道为什么甲烷水平如此之低。”



艺术家的概念WASP-107 b，一颗大约200光年外的温暖海王星系外行星。资料来源：Roberto Molar Candanosa/约翰斯·霍普金斯大学

新的甲烷测量表明，当分子从行星内部向上流动时，它会转化为其他化合物，与高层大气中其他化学物质和星光的混合物相互作用。该团队还测量了二氧化硫、水蒸气、二氧化碳和一氧化碳，发现WASP-107 b比天王星和海王星含有更多的重元素。

Sing说，这颗行星的化学性质开始揭示行星大气层在极端条件下如何表现的难题中的关键部分。他的团队将在明年用韦伯望远镜对另外25颗行星进行类似的观测。

Sing说：“我们从未能够详细研究系外行星大气中的这种混合过程，因此这将大大有助于理解这些动态化学反应是如何运作的。”。“当我们开始研究岩石行星和生物标志物特征时，这是我们绝对需要的。”

约翰斯·霍普金斯大学行星科学博士生扎法尔·鲁斯塔姆库洛夫（Zafar Rustamkulov）是这项研究的共同负责人，他说，科学家们推测，这颗行星的过度膨胀半径是由内部热源造成的。通过将大气和内部物理模型与韦伯的WASP-107 b数据相结合，该团队解释了行星的热力学如何影响其可观测的大气层。

鲁斯塔姆库洛夫说：“这颗行星有一个热的核心，这个热源正在更深地改变气体的化学成分，但它也在推动这种强烈的对流混合从内部冒出气泡。”。“我们认为，这种热量正在导致气体的化学成分发生变化，特别是破坏甲烷，并产生大量的二氧化碳和一氧化碳。”

鲁斯塔姆库洛夫说，这些新发现也代表了科学家们能够对系外行星内部及其大气层顶部建立的最清晰的联系。去年，韦伯望远镜在大约700光年外的另一颗名为WASP-39的系外行星上发现了二氧化硫，这为星光驱动的反应产生大气化合物提供了第一个证据。

约翰斯·霍普金斯大学的团队现在正专注于可能保持核心温度的因素，并预计可能会产生类似于导致地球海洋高潮和低潮的力。他们计划测试这颗行星是否被其恒星拉伸和牵引，以及这可能是核心高温的原因。