​神秘的“肿胀”行星最终可能由韦伯太空望远镜揭开谜底

根据詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的新观测结果，附近恒星周围一颗行星异常肿胀的原因可能是一种令人惊讶的低含量甲烷。这一发现表明行星大气可以膨胀到非常显著的程度，而无需借助深奥的行星形成理论。

亚利桑那州立大学的外太阳系行星学家迈克尔·莱恩在一份声明中表示：“韦伯的数据告诉我们，像WASP-107 b这样的行星不必以某种奇怪的方式形成，即拥有超小的核心和巨大的气体包层。”“相反，我们可以借鉴海王星，它有很多岩石而气体相对较少，只需提高温度，就能使它膨胀成我们看到的样子。”

WASP-107 b于2017年由广角行星搜索（WASP）联盟发现，位于室女座，距离地球约200光年，是迄今为止发现的5000多颗系外行星中最轻的之一。尽管其大小接近木星，但WASP-107 b的质量仅为这颗气体巨行星的12%，相当于仅30个地球质量。作为参考，一个木星质量大约等于318个地球质量。这颗行星异常肿胀，团队比喻其密度就像微波炉加热后的棉花糖。

从WASP-107 b的尺寸、质量和年龄的早期观测中，天文学家怀疑该行星有一个被丰富氢氦气体包裹的小型岩石核心。然而，这种假设并不能完全解释这颗异常膨胀的天体，特别是考虑到它围绕其恒星运行的轨道距离仅为水星与太阳之间距离的七分之一，但接收到的来自恒星的能量不足以解释其棉花般的密度。另一方面，如果行星核心的实际质量超出预期，科学家表示随着行星冷却，大气层本应随时间收缩，这意味着它最终应该比观察到的要小。

现在，结合哈勃太空望远镜之前的观测数据，两组独立的天文学家利用JWST的数据可能解开了这个谜题。简而言之，他们发现该行星大气中的甲烷含量仅为预期的千分之一。由于甲烷在高温下不稳定，天文学家表示，这种出乎意料的低含量证明了行星深处的气体正“与上层较冷的气体层剧烈混合”。约翰斯·霍普金斯大学（JHU）马里兰州的大卫·辛，在其中一项新研究的声明中提到：“尽管我们确实探测到了其他含碳分子，但探测到如此少量的甲烷说明行星内部的温度必须比我们预想的要高得多。”

额外的热量很可能源于WASP-107 b每5.7天围绕其恒星运行一周，且轨道并非完美的圆形。恒星对WASP-107 b持续的引力作用，因距离不断变化而拉伸和压缩行星，从而使其加热。这种方式被称为潮汐加热，它是一种天体物理现象，它通常发生在一个天体，比如行星或卫星上，由于其轨道上的另一个较大天体（如恒星或行星）的引力作用而产生形变时。这种形变会导致天体内部的能量增加，从而产生热量。

为了理解这个详细，你可以想象一下地球和月球的关系。月球的引力对地球的海洋产生了影响，导致潮汐现象。当地球的某一部分靠近月球时，月球的引力会吸引地球的海水，形成潮汐凸起。同样，地球对月球也有类似的引力作用。

当一个行星围绕其恒星运行时，如果它们的距离不是恒定的（即轨道不是完美的圆形），恒星的引力会在行星上产生变化的拉力。这种拉力会使行星在朝向恒星的一面被拉长，而在远离恒星的一面被压缩。

由于行星内部的物质在不断地被拉伸和压缩，这些物质之间会产生摩擦。就像你用手快速摩擦两根木棍会产生热量一样，行星内部的这种摩擦也会产生热量。随着时间的推移，这种由摩擦产生的热量会在行星内部积累起来。这种热量可以显著增加行星的内部温度，导致行星的地壳和地幔变得更加活跃。

在我们的太阳系中，除了地球和月亮，木星的卫星木卫二和土星的卫星土卫六都被认为是因为潮汐加热而拥有地下海洋，这些海洋被认为是寻找外星生命的可能性地点。

JHU的研究生和其中一项新研究的合著者扎法尔·拉斯塔姆库洛夫在大学的一份声明中表示，行星热核与潮汐加热的结合也在改变着深层气体的化学性质，“我们认为这种热量正在改变气体的化学性质，特别是破坏甲烷并产生大量的二氧化碳和一氧化碳”。

2020年，包括辛在内的一个天文学家团队在WASP-107 b的大气中检测到氦气，这是首次在系外行星上发现这种气体。该元素于2018年在此行星上被初步发现，并在两年后确认存在，被观测到以稀薄云团的形式延伸到太空中。由于这颗行星的大气层极为扩散，天文学家表示，WASP-107 b的恒星发出的紫外线辐射正在缓慢剥去行星的大气——具体来说，每十亿年大约有0.1%到4%的大气质量损失，导致形成了一条类似彗星尾巴的轨迹。

得益于该行星极度肿胀的特性，天文学家能够比对类似木星的行星深入约50倍的大气层进行观测。例如，去年，JWST对WASP-107 b大气的观测显示，该行星表面有沙尘雨。

这项研究发表在5月20日（周一）的《自然》杂志上的两篇论文中。