韦伯望远镜在遥远巨行星上探测到氨和意外低温

引言

詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）再次展现其强大的系外行星大气探测能力。由马里兰大学天文学家领导的团队，利用韦伯望远镜对一颗名为HATS-6 b的巨行星进行了详细观测。这颗行星位于距地球约500光年的位置，大小与木星相当，却围绕着一颗小而冷的M型矮星运行，公转周期仅为3天。研究结果发表于《天文学杂志》，揭示了该行星大气中多种分子的存在，并发现其温度远低于理论预测，为行星形成与演化理论带来了新的挑战。

大气成分：氨的罕见现身

通过透射光谱技术——即分析行星凌星时恒星光线穿过其大气层留下的特征——研究团队成功识别出HATS-6 b大气中的四种分子：水（H₂O）、甲烷（CH₄）、氨（NH₃）和二氧化碳（CO₂）。其中，氨的检测尤为引人注目。这是天文学家第二次在系外行星大气中通过透射光谱明确探测到氨。

• 氨是一种含氮分子，在温度较低的气态巨行星中应更为丰富，而在温度极高的“热木星”中则难以存在。
• 此前，系外行星大气中常见的碳、氢、氧分子已被多次发现，但氨几乎从未被检测到。
• 这一发现支持了M矮星周围的行星可能具有独特化学组成的观点，它们与围绕类太阳恒星运行的热木星在形成路径上可能存在本质差异。

研究第一作者、马里兰大学天文学博士生Giannina Guzmán Caloca表示：“氨是一个全新的分子维度，让我们开始思考这些行星的化学构成是否与我们所熟知的不同。”

温度异常：比预期冷得多

HATS-6 b的温度数据同样令人意外。此前，天文学家通常引用该行星的平衡温度约为800华氏度（约425摄氏度），但这并非实测值，而是基于一个假设：行星吸收其恒星发出的全部光线，并将热量均匀分布。然而，韦伯望远镜的早期分析显示，该行星的实际温度可能接近250华氏度（约120摄氏度）。

• 对于一个每3天就绕恒星运行一周的行星而言，如此低的温度在物理上极难解释。
• 如果行星确实如此寒冷，意味着有某种机制将大量星光反射回太空，阻止其加热大气。
• 最可能的解释是：HATS-6 b被厚厚的云层或雾霾包裹，类似金星的情况。这些云层具有高反照率，将大部分入射光反射出去。

这一发现对系外行星研究具有深远影响。因为行星的温度是计算其大气成分含量的基础参数，如此巨大的温度偏差意味着天文学家在解读围绕活跃小恒星运行的行星大气时，可能面临系统性的不确定性。

对行星形成理论的挑战

HATS-6 b的存在本身就对传统行星形成理论构成了挑战。M矮星的质量和体积远小于太阳，其原行星盘中的气体和尘埃总量也少得多。按照现有模型，这类小恒星周围很难形成像木星或土星这样巨大的行星。

• 天文学家目前仅发现约40颗类似HATS-6 b的巨行星围绕M矮星运行。
• HATS-6 b是韦伯望远镜“M矮星周围巨行星”（GEMS）项目研究的7颗目标之一，该项目旨在系统比较这些“异常”行星与围绕类太阳恒星的热木星之间的异同。
• 通过测量大气成分，科学家可以判断这些行星是否通过相同的机制形成，或者是否存在不同的演化路径。

Guzmán Caloca指出：“每一颗这样的行星都对形成理论构成挑战。通过测量它们的大气成分，我们可以开始追问：它们是否与围绕类太阳恒星的热木星以相同方式形成？还是另有玄机？”

未来展望：更多观测与更广问题

对于研究团队而言，许多谜团仍有待解开。更长波长的观测可能识别出其他未解释的信号，并检验云层假说是否正确。如果HATS-6 b确实被高反射云层包裹，那么它将成为研究系外行星云物理的绝佳实验室。

• 天文学家已发现超过6000颗系外行星，其中许多与太阳系中的行星截然不同。
• 解读这些行星的大气——它们的成分、形成方式、哪些类似木星、哪些完全陌生——有助于科学家判断其他太阳系是否通过与我们相似的机制形成。
• 这项研究也引发了更宏大的哲学思考：我们在宇宙中的位置是什么？我们有多稀有或多普遍？

Guzmán Caloca总结道：“地球也只是数千颗行星中的一颗，但它承载了所有曾经生活过的生命。HATS-6 b同样只是数千颗中的一颗，但每一颗都在告诉我们关于宇宙的更多故事。”

结语

韦伯望远镜对HATS-6 b的观测不仅首次在透射光谱中确认了氨的存在，还揭示了令人困惑的低温现象。这一发现将推动天文学家重新审视行星与恒星之间的能量交换机制，并促使更多观测聚焦于M矮星周围的巨行星。随着GEMS项目的持续推进，我们有望在未来几年内获得关于这些奇特世界更完整的图景，从而更深入地理解行星系统的多样性与统一性。

原标题：Webb detects ammonia and unexpected chill on a distant giant planet。 来源：phys.org。

阅读原文