一颗炽热的熔岩世界，TOI-561 b 尽管承受着强烈的恒星辐射，似乎仍维持着令人惊讶的浓厚大气层。韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的观测表明，这是一颗富含挥发物的行星，其岩浆与大气层持续进行着物质交换。
使用美国国家航空航天局（NASA）的韦伯太空望远镜的研究人员发现了迄今为止最清晰的迹象，表明太阳系外的一颗岩石行星被大气层所包裹。
他们对这颗超高温超级地球TOI-561 b的观测表明，这颗系外行星很可能被一层厚厚的气体包裹着，其下方是全球性的熔岩海洋。
研究团队于2023年12月11日在《天体物理学杂志通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上报告了这一结果。他们解释说，新数据有助于解释这颗行星令人惊讶的低密度，并对长期以来认为相对较小、轨道非常靠近其主恒星的行星无法维持大气层的观点提出了挑战。
极端轨道与超短周期超级地球
TOI-561 b的半径约为地球的1.4倍，公转周期不到11小时，这使其属于一类罕见的被称为超短周期系外行星的群体。
它的主恒星仅比太阳略小、略冷，但TOI-561 b以极近的距离环绕其运行——不到100万英里，约为水星与太阳距离的四十分之一——这几乎必然导致行星的一侧永久面向恒星。在这个永无止境的向阳面，温度预计将远高于典型岩石的熔点。
来自伯明翰大学（University of Birmingham）的合著者安贾利·皮埃特博士（Dr. Anjali Piette）表示：“我们确实需要一个富含挥发物的厚重大气层来解释所有观测结果。强劲的风会将热量输送到背阳面，从而冷却向阳面。”
“水蒸气等气体会吸收表面发出的部分近红外光波长，然后这些光线才会完全穿过大气层。行星看起来会更冷，因为望远镜探测到的光线更少，但也可能存在明亮的硅酸盐云，通过反射星光来冷却大气层。”
探究行星异常的低密度
研究人员为解释行星的低密度探讨的一种可能性是，TOI-561 b可能包含一个相对较小的铁核，以及一个由比地球内部岩石密度更低的岩石构成的地幔。
主要作者、卡内基科学研究所地球与行星实验室（Carnegie Science Earth and Planets Laboratory）的科学家约翰娜·特斯克（Johanna Teske）说：“真正使这颗行星与众不同的是其异常低的密度。如果它具有类似地球的组成，其密度会低于你的预期。”
“TOI-561 b在超短周期行星中很独特，因为它围绕着一颗非常古老、贫铁的恒星运行——这颗恒星的年龄是我们太阳的两倍——位于银河系中被称为厚盘的区域。它一定是在与我们太阳系行星截然不同的化学环境中形成的。”
正因为如此，这颗行星的构成可能类似于宇宙本身还相对年轻时形成的世界。
全球熔岩海洋之上的厚重大气层
研究团队还提出，TOI-561 b可能被一层可观的大气层包裹，这使得行星看起来比其固态本体更大。尽管理论认为，在强烈的恒星辐射下暴露数十亿年的小型行星应该会失去它们曾经拥有的任何气体，但少数此类世界仍然显示出迹象，表明它们不仅仅是裸露的岩石或暴露的熔岩。
研究人员利用韦伯望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec），根据行星的近红外亮度测量其向阳面温度，来检验TOI-561 b拥有大气层的设想。该方法涉及追踪当行星移动到恒星背后时，恒星和行星系统组合亮度的下降。这与用于在TRAPPIST-1系统和其他小型岩石系外行星上寻找大气层的技术类似。
如果TOI-561 b只是一个没有大气层将热量输送到背阳面的裸露岩石表面，其被照亮半球应达到约华氏4900度（摄氏2700度）。然而，近红外光谱仪的数据表明，向阳面温度更接近华氏3200度（摄氏1800度）——仍然极其炎热，但比预期要低得多。
测试热量传输与大气层情景
为了解释这一低于预期的温度，研究人员评估了几种情景。一个全球性的熔岩海洋可能会将部分热量从向阳面输送到背阳面，但如果没有大气层，永久黑暗面将会凝固，从而限制能量重新分配的程度。熔岩表面之上可能存在一层薄薄的岩石蒸汽，但仅凭其自身不足以提供与观测结果相匹配的冷却效果。
尽管韦伯望远镜的测量结果有力地支持了大气层的存在，但一个重要的谜团仍然存在：一颗相对较小、遭受如此强烈辐射轰击的行星，究竟如何能够维持任何大气层，尤其是看起来如此可观的大气层？
来自荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的合著者蒂姆·利希滕贝格（Tim Lichtenberg）说：“我们认为熔岩海洋和大气层之间存在一种平衡。当气体从行星内部释放出来补充大气层时，熔岩海洋又将它们吸回内部。这颗行星的挥发物含量一定比地球丰富得多，才能解释这些观测结果。它真的就像一个湿润的熔岩球。”
韦伯对TOI-561 b的长期观测及其更广泛的使命
这些发现来自韦伯望远镜的第3860号普通观测者计划（General Observers Program 3860）的首批结果，该计划在TOI-561 b完成近四圈完整公转期间，连续监测该系统超过37小时。研究团队现在正在详细研究完整的数据集，以绘制整个行星周围的温度变化图，并更精确地确定其大气层的组成。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界首屈一指的空间科学观测站。韦伯望远镜正在解开我们太阳系的谜团，探索其他恒星周围的遥远世界，并探究我们宇宙的神秘结构、起源以及我们在其中的位置。韦伯望远镜是一项由美国国家航空航天局与其合作伙伴欧洲空间局（ESA）和加拿大航天局（CSA）共同领导的国际计划。
