韦伯破解膨胀系外行星问题

为什么温暖的气态巨行星WASP-107b如此浮肿?两个独立的研究小组给出了答案。使用NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜收集的数据，结合NASA哈勃太空望远镜之前的观测结果，显示该行星大气中的甲烷(CH4)极少，这表明WASP-107b的内部温度一定要高得多，而核心温度要高得多。比之前估计的要大。

这种出乎意料的高温被认为是行星略呈非圆形轨道引起的潮汐加热的结果，并且可以解释WASP-107b为何能够如此膨胀，而无需诉诸极端的形成理论。

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现象，有助于解决系外行星科学中长期存在的谜团。

WASP-107b的问题

WASP-107b是一颗“温暖的海王星”系外行星，体积超过木星的四分之三，但质量却不到木星的十分之一，是已知密度最小的行星之一。虽然蓬松行星并不罕见，但大多数行星温度更高、质量更大，因此更容易解释。

亚利桑那州立大学(ASU)的LuisWelbanks解释说：“根据其半径、质量、年龄和假设的内部温度，我们认为WASP-107b有一个非常小的岩石核心，周围环绕着大量的氢和氦。”今天在《自然》杂志上发表的一篇论文的主要作者。“但很难理解这么小的核心如何能够扫除如此多的气体，然后又无法完全成长为木星质量的行星。”

如果WASP-107b的核心质量更多，那么大气层应该随着行星形成以来随着时间的推移而冷却而收缩。如果没有热源使气体重新膨胀，地球应该小得多。尽管WASP-107b的轨道距离仅为500万英里(水星与太阳之间距离的七分之一)，但它没有从其恒星接收到足够的能量来膨胀到如此程度。

“WASP-107b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(热木星)要冷得多，质量也更像海王星，”约翰斯学院的戴维·辛(DavidSing)说霍普金斯大学(JHU)是一项平行研究的主要作者，该研究今天也在《自然》杂志上发表。

“因此，我们应该能够检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，而这些信息是我们无法从更热的星球上获得的。”

大量以前无法检测到的分子

WASP-107b的巨大半径、广阔的大气层和边缘轨道使其成为透射光谱的理想选择，透射光谱是一种根据系外行星大气中各种气体对星光的影响来识别它们的方法。

结合Webb的NIRCam(近红外相机)、Webb的MIRI(中红外仪器)和哈勃的WFC3(广角相机3)的观测结果，Welbanks的团队能够构建0.8至12.2微米吸收光的宽光谱由WASP-107b的大气层影响。Sing的团队使用Webb的NIRSpec(近红外光谱仪)建立了覆盖2.7至5.2微米的独立光谱。

数据的精确性使得不仅可以检测，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)。

翻腾的气体、炽热的内部和巨大的核心

两张光谱都显示出WASP-107b大气中甲烷的含量出人意料地缺乏：是基于其假设温度的预期含量的千分之一。

辛解释说：“这证明来自地球深处的热气体必须与更高处的较冷层剧烈混合。”“甲烷在高温下不稳定。尽管我们确实检测到了其他含碳分子，但我们检测到的却很少，这一事实告诉我们，地球内部肯定比我们想象的要热得多。”

WASP-107b额外内能的一个可能来源是其略呈椭圆形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-107b浮肿的原因，但在韦伯结果出来之前，还没有证据。

一旦他们确定行星有足够的内部热量来彻底搅动大气层，研究小组就意识到光谱还可以提供一种估计地核大小的新方法。

“如果我们知道地球上有多少能量，并且知道地球上碳、氮、氧和硫等较重元素的比例，以及氢和氦的含量，我们就可以计算出地球上必须有多少质量。核心，”约翰霍普金斯大学的DanielThorngren解释道。

事实证明，核心的质量至少是最初估计的两倍，这对于行星的形成方式来说更有意义。

总而言之，WASP-107b并不像它曾经出现的那样神秘。

“韦伯数据告诉我们，像WASP-107b这样的行星不必以某种奇怪的方式形成，具有超小的核心和巨大的气体包层，”亚利桑那州立大学的迈克·莱恩解释道。“相反，我们可以采取更像海王星的东西，有很多岩石但没有那么多气体，只需调高温度，然后将其放大看看它的样子。”