激动人心的新发现表明，WASP-121b 这颗炽热巨大的行星，可能是在离其恒星很远的冰冷且富含冰的区域形成，之后才向内迁移到当前极端轨道的。
韦伯望远镜揭示 WASP-121b 的奇异化学成分
詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的新观测结果揭示了系外行星 WASP-121b 的起源和形成过程的新见解。通过探测到几种重要的大气分子——水蒸气、一氧化碳、一氧化硅和甲烷——科学家们能够收集到有关该行星可能在其恒星周围的气体和尘埃漩涡盘中何处形成的有价值信息。这些分子特征使天文学家托马斯·埃文斯-索马和西里尔·加普领导的研究团队能够绘制出行星大气中碳、氧和硅的存在情况。其中最引人入胜的发现是甲烷的存在，这暗示着在该行星较冷的夜侧存在强大的垂直风，这是许多当前模型往往忽略的一个特征。
WASP-121b被归类为一颗超热巨行星，以极近的距离绕其主星运行——仅为主星宽度的两倍左右。它每30.5小时即可完成一次公转。该行星已被潮汐锁定，即行星的一半球面永远朝向主星，温度高达3000多摄氏度，而另一侧则永远处于黑暗之中，温度要低得多，约为1500摄氏度。
托马斯·埃文斯-索马（Thomas Evans-Soma）解释道：“白天的温度足够高，可以使耐火材料（通常是耐高温的固体化合物）以行星大气层的气态成分存在。”他是德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所（MPIA）和澳大利亚纽卡斯尔大学的附属天文学家，也是最近发表在《自然·天文学》杂志上的这项研究的负责人。
炽热世界中冰冷起源的线索
研究小组调查了在不同温度下蒸发的化合物的丰度，为这颗行星的形成和演化提供了线索。“相较于液体和固体，气态物质更容易被识别，”马克斯·普朗克天文研究所 (MPIA) 学生西里尔·加普指出，他是今天发表在《天文学杂志》上的第二项研究的主要作者。“由于许多化学物质以气态形式存在，天文学家将 WASP-121b 当作天然实验室，以探测行星大气的特性。”
研究小组得出结论，WASP-121b 行星上的大部分气体可能聚集在某一区域，那里的温度足够低，使水保持冰冻状态，但又足够温暖，使甲烷（CH4）能够蒸发并以气态存在。行星在围绕一颗年轻恒星的尘埃和气体盘中形成，这种条件发生在恒星辐射产生适当温度的距离处。
在我们自己的太阳系中，这个区域位于木星和天王星轨道之间的某个地方。考虑到WASP-121b现在危险地绕其主恒星表面附近运行，这一点尤为引人注目。这表明，在它形成之后，它从冰冷的外部区域进行了漫长旅程，来到了行星系的中心。
此动画展示了WASP-121b如何绕其主恒星运行。通过观察整个轨道，研究团队从变化的大气辐射中提取了信息。该行星从恒星前方经过的阶段，使研究团队还能够研究行星稀薄的大气边缘是如何改变透射过来的星光的。借此方式，他们探测到了一氧化碳气体。致谢：T. Müller（MPIA/HdA）
一颗行星剧烈的向内之旅
硅是以一氧化硅（SiO）气体的形式被检测到的，但它是在行星获得大部分气态包层后，通过储存在星子（即小行星）中的石英等岩石物质最初进入行星的。星子的形成需要时间，这表明这一过程发生在行星发展的后期阶段。
行星的形成始于相互粘结的冰冷尘埃颗粒，这些颗粒逐渐聚合成厘米级至米级大小的卵石。它们吸引周围的气体和细小颗粒，加速自身的成长。这些都是像WASP-121b这样的未来行星的雏形。周围气体的拖拽作用使得移动的卵石呈螺旋状向恒星内部移动。在迁移过程中，它们所含的冰块在吸积盘温度较高的内部区域开始蒸发。
鹅卵石与冷冻化学的作用
新生行星在围绕主恒星运行的过程中，体积会增大到足以在原行星盘中开辟出巨大的空隙。这阻止了鹅卵石向内漂移以及所含冰的供给，但留下了足够的气体用以构建大气层。
在WASP-121b行星上，这种情况似乎发生在甲烷卵石蒸发的位置，从而增加了该行星提供的富含碳的气体。相比之下，含水卵石仍处于冰冻状态，将氧气封存起来。这种情况最能解释为何埃文斯-索马 (Evans-Soma) 和加普 (Gapp) 观察发现，该行星大气中的碳氧比高于其主星。在富含氧气的卵石流动停止后，WASP-121b继续吸引富含碳的气体，从而决定了其大气层的最终构成。
甲烷之谜：风向出乎意料
随着大气温度的变化，不同分子（如甲烷和一氧化碳）的数量也会发生变化。在WASP-121b星球白天的超高温度下，甲烷极不稳定，不会以可检测的数量存在。天文学家已经确定，像WASP-121b这样的行星，其白昼半球的气体应比气体成分适应较低温度的速度更快地混合到相对凉爽的黑夜半球。在这种情况下，甲烷在黑夜半球的含量应该会像在白昼半球一样微乎其微。然而，天文学家在WASP-121b的黑夜半球检测到了大量甲烷，这完全出乎意料。
为了解释这一结果，该团队提出甲烷气体必须在夜侧快速补充，以维持其高丰度。实现这一点的合理机制涉及强烈的垂直气流将甲烷气体从富含甲烷的低层大气中抬起，而低层大气之所以富含甲烷，是因为夜侧温度相对较低，同时大气中碳氧比高。“这对外行星动力学模型提出了挑战，该模型可能需要进行调整，以重现我们在WASP-121b夜侧发现的强烈垂直混合现象，”埃文斯-索马说道。
詹姆斯·韦伯太空望远镜揭示了极端行星大气层的奥秘
研究团队使用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的近红外光谱仪（NIRSpec）观测了WASP-121b完整绕主恒星运行的轨道。随着该行星绕其自转轴旋转，其表面接收到的热辐射发生变化，行星受照射的大气层的不同部分被望远镜观测到。这使研究团队能够确定该行星白天和黑夜的条件以及化学成分。
天文学家还观测到了该行星凌星（即行星从恒星前方经过）的现象。在这一阶段，部分恒星光线穿过行星大气边缘，留下揭示行星化学成分的光谱指纹。此类测量对昼夜气体混合的过渡区尤其敏感。加普（Gapp）指出：“新出现的透射光谱证实了用发射数据探测到的一氧化碳、一氧化碳和水。但我们在昼夜过渡区并未发现甲烷。”
参考文献：《2025年6月2日发表于<自然-天文学>的“系外行星WASP-121b大气中的二氧化硅和超恒星碳氧比”》，作者：托马斯·M·埃文斯-索马、大卫·K·辛格、乔安娜·K·巴尔斯托、安贾莉·A·A·皮耶特、杰克·泰勒、约书亚·D·洛斯瑞格、恩里克·雷吉亚尼、贾耶什·M·戈亚尔、伊娃-玛丽亚·阿雷尔、内森·J·梅恩、扎法尔·鲁斯塔姆库洛夫、蒂芙尼·卡塔里亚、邓肯·A·克里斯蒂、西里尔·加普、贾寅东、丹尼尔·福尔曼-麦基、濑户聪一郎和马克·S·马利。数字对象唯一标识符：10.1038/s41550-025-02513-x。
参与此次研究的MPIA科学家包括托马斯·M·埃文斯-索马（同样来自澳大利亚纽卡斯尔大学）、西里尔·加普（同样来自海德堡大学）、伊娃-玛丽亚·阿雷尔、邓肯·A·克里斯蒂、杰玛·鲁塞娃（同样来自英国圣安德鲁斯大学）和劳拉·克雷德伯格。
其他研究人员包括戴维·K·辛格（美国巴尔的摩约翰斯·霍普金斯大学）、乔安娜·K·巴尔斯托（英国米尔顿凯恩斯开放大学）、安贾莉·A·A·皮耶特（英国伯明翰大学和美国华盛顿卡内基科学研究所）、杰克·泰勒（英国牛津大学）、约书亚·D·洛斯林格（美国巴尔的摩太空望远镜科学研究所和美国奥勒姆犹他谷大学）以及贾耶什·M·戈亚尔（印度奥里萨邦国家科学教育与研究院）。
近红外光谱仪（NIRSpec）是欧洲航天局（ESA）为韦伯任务做出的贡献之一，由空客防务与航天公司（ADS）牵头的欧洲公司联盟制造。美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心提供了两个子系统（探测器和微型快门）。马克斯·普朗克天文研究所负责采购近红外光谱仪光栅轮的电气部件。
詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 是世界领先的空间研究天文台。它是一个由美国国家航空航天局 (NASA) 及其合作伙伴欧洲航天局 (ESA) 和加拿大航天局 (CSA) 共同主导的国际项目。
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