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WASP-121b 的艺术想象图。图片来源:NASA, ESA, and G. Bacon / STScI

WASP-121b 可能是被研究得最为透彻的系外行星了。它在 2015 年被发现,质量为木星的 1.18 倍,半径为木星的 1.81 倍,公转周期 30.6 小时。2017 年,天文学家甚至在它的平流层中发现了水。今天,光谱分析中的异常数据显示,这颗行星甚至会下宝石雨。

当然,这并不意味着你应该去这颗恒星上寻找发财致富的机会。你可能已经注意到了,WASP-121b 的公转周期只有 30.6 小时。不巧的是,它的宿主恒星 WASP-121 是一颗 F6 恒星,和太阳的 G2 型恒星比较接近。所以,根据开普勒第三定律,周期越短,轨道半径越小,WASP-121b 非常靠近宿主恒星。根据观测,它的表面温度甚至能达到 3000 多开尔文。WASP-121b 不能让你发财致富,只能让你一命呜呼。

凌星法

迄今为止,人类已经确认了近 5000 个系外行星,其中有 300 多个是轨道周期小于 10 天的气态行星,天文学家将其称为“热木星”。不过,就算是在这 300 多个“热木星”中,WASP-121b 的环境也算得上极端,天文学家甚至打算为它新建一个“超热木星”的分类。

天文学家主要用凌星法寻找系外行星,如果系外行星绕转恒星的平面侧对我们,那么当系外行星转到恒星面前时,就会挡住一部分星光,造成恒星亮度下降,我们就能发现那颗系外行星。

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行星运队会对恒星亮度产生影响。图片来源:ESA

当行星遮挡恒星时,恒星发出的光会穿透行星大气层,从而对恒星光谱产生一定改变,我们由此能分析行星大气所含的元素种类。德国马克斯・普朗克天文研究所的天文学家托马斯・米卡尔-埃文斯(Thomas Mikal-Evans)说:“尽管发现了数千颗系外行星,但由于观测的挑战性,我们只能研究一小部分大气层。”WASP-121b 极高的温度使得它自身的亮度也很高,这让天文学家甚至有可能直接研究行星自身发出的光。

2016 年,一篇发表在《天体物理学快报》上的论文表示,他们在 WASP-121b 的大气层中发现了水 —— 当然不是以液态的形式存在。准确的说,天文学家所用的光谱分析只能让天文学家发现水分子。不过,这也已经是天文学家首次在系外行星的大气层中发现水了。

极昼极夜

也正是如此短的距离,让这颗行星上的潮汐效应非常强烈。这让这颗行星进入了潮汐锁定状态 —— 公转周期和自转周期一致,永远只有一面对向它的宿主恒星。这让 WASP-121b 上产生了巨大的温差,昼半球温 3000 开尔文,而夜半球只有 1500 开尔文。两个半球的温差非常强烈,天文学家非常想知道这样极端的环境会造成什么样的影响,但它的夜半球亮度只有昼半球的 1/10 左右,这让观测变得更加困难。

为了获得两个半球的信息,米卡尔-埃文斯团队用哈勃空间望远镜观测了 WASP-121b“两年”多 —— WASP-121b 上的两年多,观测大约用了 80 小时。这也让天文学家首次了解到这样极端的恒星上,大气是如何运转的。相关论文发表在《自然・天文学》上。

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电脑模拟 WASP-121b 观测图像,不过人类现在所有望远镜的分辨率很难给系外行星成像,一般只会观测图像对光变曲线的亮度影响。图片来源:NASA / JPL-Caltech / Aix-Marseille University (AMU)/Vivien Parmentier

在地球上,水分子会以固、液、气三态参与水循环,而在 WASP-121b 的昼半球,3000 开尔文的水蒸气甚至可能导致水分子的分解,形成氢原子和氧原子,只有在夜半球,1500 开尔文的“低温”才能让它重新“凝结”成水蒸气。

恒星的两个半球 1500 度的温差让整个行星上存在永久的压力差,会产生绕整个行星运转的极端的西风。麻省理工学院的天体物理学家德兰・坦苏(Tansu Daylan)说:“WASP-121b 上的风比我们地球上的风快得多,可能在 20 小时内席卷整个星球。”

作为被研究最为透彻的系外行星,天文学家在它的大气层中发现了钒、铁、铬、钙、钠、镁、镍、铝和钛。不过,在夜半球的大气中,铝和钛消失了。研究团队认为,在夜半球,铝和钛已经被带入了行星大气层的深处。铝元素很容易和氧元素结合形成氧化铝。鉴于 WASP-121b 大气层中含有多种金属元素,这些氧化铝很有可能带有钒、铁、铬或钛“杂质”,而这正是红宝石、蓝宝石形成的条件

这意味着,在 WASP-121b 的夜半球,很有可能正在下着宝石雨 —— 或者说,宝石“冰雹”,毕竟仅需 20 个小时就能席卷整颗行星的狂风和 1500 开尔文的高温会让你根本没有心思去那里“发家致富”。

不过,对研究人员而言,他们更希望找到一氧化碳。一氧化碳是星云中除氢气外最常见的分子,由于分子不对称的结构,它更容易被观测到,天文学家常常用它来研究恒星是如何形成的。米卡尔-埃文斯期待用詹姆斯・韦布空间望远镜寻找 WASP-121b 上一氧化碳的踪迹,他表示:“碳和氧在大气层中的丰度将会为我们提供这类行星形成过程的线索。”