韦伯望远镜首次展示系外行星的内部

棉花糖般的行星WASP-107b中隐藏着令人惊讶的低量甲烷和超大核心。这些基于詹姆斯·韦伯太空望远镜获得的数据的启示，标志着对系外行星核心质量的首次测量，并可能为未来对行星大气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。

“观察数百光年外的行星内部听起来几乎是不可能的，但当你知道其内部的质量、半径、大气成分和温度时，你就掌握了了解它所需的所有信息。主要作者、约翰·霍普金斯大学地球与行星科学系彭博杰出教授戴维·辛(DavidSing)说：“现在我们可以为不同系统中的许多不同气体行星做这件事。”

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

WASP-107b是一颗巨大的行星，周围包裹着像棉花一样蓬松的灼热大气，它绕着一颗距我们约200光年的恒星运行。它之所以蓬松，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。

尽管它含有甲烷(地球上生命的组成部分)，但由于它靠近母星且缺乏固体表面，该行星不被认为适合居住。但它可能蕴藏着有关行星演化后期的重要线索。

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，并对行星的大小和密度提供了类似的见解。

辛说：“我们希望研究与太阳系中的气态巨行星更相似的行星，这些行星的大气层中含有大量甲烷。”“这就是WASP-107b的故事真正有趣的地方，因为我们不知道为什么甲烷含量如此之低。”

新的甲烷测量结果表明，当该分子从地球内部向上流动时，该分子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-107b的重元素比天王星和海王星还要多。

辛说，行星化学的概况正开始揭示行星大气在极端条件下如何表现这一谜题的关键部分。明年，他的团队将使用韦伯望远镜对另外25颗行星进行类似的观测。

辛说：“我们从未能够详细研究系外行星大气中的这种混合过程，因此这对于理解这些动态化学反应如何运作将大有帮助。”“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东西。”

约翰·霍普金斯大学行星科学博士生扎法尔·鲁斯塔姆库洛夫(ZafarRustamkulov)是这项研究的共同负责人，他说，科学家们推测，行星半径过度膨胀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-107b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：“这颗行星有一个炽热的核心，这个热源正在改变更深处气体的化学成分，但它也推动了从内部冒泡的强烈对流混合。”“我们认为这种热量导致气体的化学性质发生变化，特别是破坏甲烷并产生大量的二氧化碳和一氧化碳。”

鲁斯塔姆库洛夫表示，新发现还代表了科学家们能够对系外行星内部和其大气层顶部建立的最清晰的联系。去年，韦伯望远镜在另一颗名为WASP-39的系外行星上发现了距离地球约700光年的二氧化硫，这是由星光驱动的反应产生大气化合物的第一个证据。

约翰·霍普金斯大学的研究小组现在正专注于可能使核心保持高温的因素，并预计其作用可能类似于引起地球海洋涨潮和低潮的力量。他们计划测试这颗行星是否被恒星拉伸和拉动，以及这如何解释地核的高热量。