系外行星研究人员已经习惯了意外发现，但熔岩世界在行星奇观目录中占据着特殊位置。这些行星距离其恒星如此之近，以至于其表面可能是熔融的岩石。它们距离恒星越近、温度越高，天文学家就越倾向于认为它们被一层由表面物质汽化产生的气体包裹着。
这一预期如今正受到检验。一篇新发表在《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）上的研究描述了对HD 3167 b的观测。这是一颗地球大小的熔岩世界，位于温度范围的较冷一端，但看起来似乎仍可能拥有大气层。这项工作由来自美国、英国、中国和西班牙的研究团队完成，依赖NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）来探测该行星的热行为。
熔岩世界为何对行星科学至关重要
系外行星不断挑战我们对行星形成、行星演化以及遥远世界是否可能支持我们所知生命的理解。科学家经常将太阳系内的行星作为类比对象，但这些比较有其局限。研究轨道周期极短的系外行星，一再迫使研究人员重新思考一颗行星在其生命周期内能够承受什么。
近年来，熔岩世界已严肃地进入这一讨论，其中最极端的例子是那些危险地靠近其宿主恒星运行的行星。对于这一类中较热的成员，物理图景似乎相对清晰：极端温度熔化表面，熔融物质变成气体，气体作为大气层包裹行星。相比之下，较冷的熔岩世界通常被观测为裸露的岩石，似乎完全被剥离了任何大气层。
HD 3167 b使这种清晰的划分变得复杂。它属于熔岩世界范围中较冷的一端，但新的观测暗示，它可能并不像其温度所表明的那样贫瘠。
HD 3167 b观测详情
HD 3167 b距离地球约154光年。其半径约为地球的1.6倍，质量约为地球的4.8倍，绕其K型恒星运行一周约需0.96个地球日——比我们地球上的一天还短。
其宿主是一颗K型恒星，这一类型比太阳更小也更冷。天文学家估计，K型恒星构成了银河系中数量最多的恒星群体，这使得环绕它们的行星对试图了解特定行星条件在银河系中可能有多普遍的研究人员来说尤其有趣。
利用次食读取行星的热量
为了探究HD 3167 b是否拥有大气层，研究团队依赖JWST对次食（secondary eclipse）的观测。这种几何构型与更常见的凌星不同。凌星发生在行星从恒星前方经过时，短暂地使星光变暗。次食则发生在行星从恒星后方经过时，使恒星的光能够与行星自身发出的辐射分离开来。
正是这一区别使新结果成为可能。当JWST在次食期间观测HD 3167 b时，行星表面的温度结果远低于研究人员此前的假设。
表面温度出乎意料地低可能意味着什么
据研究人员称，这一意外低温可能指向行星表面正在发生的某种过程：来自昼半球的热量可能被重新分配到夜半球。换句话说，这颗行星可能并不像一块裸露、无空气的岩石那样将热量辐射回太空。
昼半球与夜半球的区分在这里非常重要。轨道如此靠近恒星的行星被潮汐锁定，意味着一半球永久面向恒星，而另一半球则永远处于黑暗之中。在一个没有大气层的世界上，这种构型会在两半球之间产生巨大的温差——昼半球炙热，夜半球冰冷。将热量从一个半球转移到另一个半球的机制会缓和这种对比，而大气层正是最自然的候选机制之一。
一颗可能仍拥有大气层的较冷熔岩世界
综合来看，这些观测指向的是一种可能性，而非已证实的事实。HD 3167 b可能拥有大气层，尽管它比通常与气体包裹层相关联的熔岩世界更冷。如果这一解释成立，它将挑战温度单独决定熔岩世界是保留还是失去大气层这一简单假设。
这一发现与其说推翻了现有框架，不如说使其承压。较热的熔岩世界已被证实拥有大气层，而较冷的熔岩世界则被发现缺乏大气层。HD 3167 b处于这两组之间尴尬的位置，而这正是它有趣的原因。
关键事实一览
- 行星：HD 3167 b，一颗地球大小的熔岩世界
- 距离：距地球约154光年
- 大小和质量：半径约为地球的1.6倍，质量约为地球的4.8倍
- 轨道：绕一颗K型恒星运行约0.96个地球日
- 仪器：NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜
- 技术：次食观测，即行星从恒星后方经过时
- 关键结果：表面温度低于此前假设，暗示热量重新分配以及可能存在大气层
- 发表期刊：《天体物理学杂志快报》（The Astrophysical Journal Letters）
- 研究团队：来自美国、英国、中国和西班牙的科学家
这一结果为何重要
熔岩世界是极端行星物理学的天然实验室。由于它们距离恒星如此之近，它们经历的辐照是太阳系中任何行星都无法承受的，而它们短暂的年份意味着研究人员可以相对快速地观测到反复的加热和冷却循环。对其中任何一颗行星的每一次新测量，都为一幅仍在构建中的图景增添了一个数据点。
HD 3167 b尤其有价值，因为它在很大程度上一直空白的方向上拓宽了样本。如果较冷的熔岩世界能够保留大气层，哪怕是间歇性地保留，那么“裸露岩石”与“气体笼罩的世界”之间的界限就比基于温度的简单规则所暗示的更加模糊。这反过来又影响天文学家如何模拟行星一生中大气层的失去与保留。
仍然存在的未解问题
最紧迫的问题是，HD 3167 b是否真的拥有大气层，还是某种其他过程解释了其低于预期的表面温度。确认气体包裹层的存在，并确定该包裹层的成分，需要额外的观测和分析。该团队的证据引人入胜，但它是支持一种可能性的证据，而非最终定论。
第二个问题涉及这样的大气层究竟如何能够持续存在。较冷的熔岩世界被认为缺乏大气层是有原因的，而理解是什么让像HD 3167 b这样的行星能够保住大气层——如果它确实拥有的话——将有助于完善短周期行星上大气逃逸和表面相互作用的模型。
目前，HD 3167 b提醒我们，银河系中最极端的行星很少遵循科学家为它们写下的规则。随着JWST继续观测熔岩世界，未来几年应该会揭示这个较冷的异类究竟是一个例外，还是这一类别本身需要重新思考的第一个迹象。
本文基于Universe Today的报道。阅读原文。
Originally published on universetoday.com