发布单位： 台北市立天文科学教育馆
WASP-107b 是一颗高度活跃的 K 型主序星 ，位于室女座 ，距离我们约 212 光年 ，于 2017 年首次发现 ，是已知密度最小的系外行星之一 ，天体物理学家将此类型称为 「超级泡芙」 或 「棉花糖」 行星 。这颗行星的轨道距离恒星非常近 ，比地球到太阳的距离还要近 16 倍以上 ，公转周期为 5.7 天 。在所有已发现的系外行星中有着最冷的大气层 ，尽管它的温度高达摄氏 500 度 ，但仍然比地球热得多 。这种高温被认为是行星略微非圆形的轨道引起的潮汐加热结果 ，可以解释 WASP-107b 为何能够如此膨胀 。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 ，让我们得以解释了数十颗低密度系外行星的膨胀现象 ，有助解决系外行星科学中长期存在的谜团 。
图说： 艺术家对 WASP-107b 的想象图 。图片来源： NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
WASP-107b 的体积是木星的四分之三以上 ，但质量却不到十分之一 ，是已知密度最小的行星之一 。虽然蓬松的行星并不罕见 ，但大多数温度更高 、质量更大 ，因此更容易解释 。研究团队表示根据其半径 、质量 、年龄和假设的内部温度 ，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 。但很难理解这么小的核心如何能够扫除如此多的气体 ，然后又无法完全长成木星质量的行星 。如果 WASP-107b 的核心质量更大 ，那么大气层应该会随着行星形成后的冷却而收缩； 如果没有热源使气体重新膨胀 ，这颗行星应该会小得多 。尽管 WASP-107b 的轨道距离只有约 4500 公里 （相当于水星与太阳距离的七分之一） ，但它从恒星获得的能量不足以让它如此膨胀 。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 （即热木星） 要冷得多 ，质量也更像海王星 。因此 ，我们应该能够检测到甲烷和其他分子 ，这些分子可以提供有关其化学和内部动力学的讯息 ，而这些是无法从更热的行星上获得的 。
WASP-107b 的巨大半径 、广阔的大气层和边缘轨道使其非常适合进行透射光谱分析 ，透射光谱学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 。结合韦伯近红外线相机 （NIRCam） 、中红外成像-光谱仪 （MIRI） 和哈勃的广角相机 （WFC3） 的观测结果 ，研究团队构建了 WASP-107b 大气层吸收 0.812.2 微米吸收光的宽光谱； 利用韦伯近红外线相机建立了范围从 2.75.2 微米的独立光谱 。数据的精确性使我们不仅可以检测 ，而且可以实际测量大量分子的丰度 ，包括水蒸气 、甲烷 、二氧化碳 、一氧化碳 、二氧化硫和氨 。
图说： 结合韦伯近红外线相机 、中红外成像-光谱仪和哈勃的广角相机的观测结果 。此光谱显示了行星大气中存在水 、二氧化碳 、一氧化碳 、甲烷 、二氧化硫和氨的明确证据 ，使研究人员能够估算行星的核心内部的温度和质量 。图片来源： NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Science: L. Welbanks (ASU) and the JWST MANATEE team
图说： 韦伯近红外光谱仪拍摄 WASP-107b 的大气层阻挡的近红外线星光的不同波长的数量 。此光谱显示了行星大气中存在水 、二氧化碳 、一氧化碳 、甲烷和二氧化硫的明确证据 。图片来源： NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI) Science: D. Sing (JHU) and the NIRSpec GTO transiting exoplanet team
两张光谱都显示 WASP-107b 大气中甲烷的含量仅为根据其假设温度所预期含量的千分之一 ，这证明来自行星深处的高温气体一定与较高处的低层发生了剧烈混合 。甲烷在高温下不稳定 ，尽管我们确实检测到其他含碳分子 ，但检测到的甲烷却很少 ，这一事实告诉我们 ，行星内部的温度一定比我们想象的要高得多 。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 ，随着恒星和行星间的距离在 5.7 天的轨道上不断变化 ，重力也在不断变化 ，从而拉伸行星并使其升温 。事实证明 ，核心的质量至少是最初估计的两倍 ，这对行星的形成方式更有意义 。韦伯的数据告诉我们 ，像 WASP-107b 这样的行星并非以某种奇怪的方式形成 ，它有超小的核心和巨大的气体包层 。 相反 ，我们可以採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 。相关研究成果发表于 《Nature》 期刊上 。 （编译/台北天文馆赵瑞青）
资料来源： NASA