韋伯發現本應是裸岩的熔岩行星反射了74%的星光

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發現，一顆布滿熔岩的岩石行星，因距離恆星極近而備受烘烤，當地的一年不到半個地球日；它反射光線的能力幾乎媲美金星。韋伯追蹤這顆行星將近整個軌道，發現它將照射到的大部分星光反射回太空，而非吸收。

這種現象本不應該發生。熔岩顏色暗淡，而一顆體積不大的岩石世界在承受如此強烈輻射的情況下，科學家原本預期它的大氣層早已消失，只留下一顆漆黑的焦灼球體。一顆明亮的行星意味著岩漿之上存在著某種東西：一層濃厚的大氣，很可能帶有由地表蒸發岩石形成的反光雲層。

這使TOI-561 b成為太陽系外岩石行星保留大氣層迄今最有力的案例之一。韋伯已檢查過一系列小型岩石世界，其中多數環繞紅矮星運行，結果大多只有裸露岩石。如今，那顆最沒有資格擁有大氣層的行星，卻似乎正是留住大氣層的那一個。

這項研究由蒙特婁大學的Samuel Boucher主導，滑鐵盧大學的Lisa Dang擔任計畫負責人，論文發表於《天文期刊》（The Astronomical Journal）。「我們的發現挑戰了現有理論，」共同作者、伯明罕大學的Anjali Piette說。「我們原本預期像TOI-561 b這樣遭受強烈輻射的岩石行星，大氣層早在數十億年前就已流失。」

韋伯如何為一顆看不見的行星量測光線

韋伯無法直接拍攝TOI-561 b，因為它淹沒在約280光年外、六分儀座方向那顆恆星的強光之中。韋伯能做的，是以極高精度量測恆星與行星合計的紅外線光芒，並觀察這道光芒如何隨行星轉動而變化。

這顆行星幾乎可以確定已受到潮汐鎖定，一面永遠是白晝，另一面永遠是黑夜。當它繞行恆星時，韋伯先看到較多的熾熱晝面，接著看到較多的夜面。當行星掩入恆星後方時，它的光線消失，而消失的幅度可直接得出晝面的亮度。這種隨軌道週期出現的升降變化，稱為「相位曲線」。

研究團隊將韋伯的NIRSpec儀器對準該系統，連續觀測約37小時不中斷，涵蓋將近四個軌道週期，觀測波長約在3至5微米之間的紅外線波段。行星晝面在恆星光芒中僅增加數十ppm（百萬分點）的亮度。為了將它分離出來，研究人員也模擬了「米粒組織」，恆星表面緩慢沸騰的對流圖樣，會使恆星亮度產生閃爍變化。

「這項技術稱為相位曲線，結果顯示這顆行星反射了來自恆星的相當大量光線，而且熱能正被重新分配到行星各處，而非僅限於受光的那一面，」Dang說。「兩者結合起來，都指向大氣層的存在。」

為什麼這些數字排除了裸露岩石

關鍵在於能量收支。一塊暗色裸岩在如此距離下，若吸收所有光線且不把熱能傳到夜面，晝面溫度應接近3,200克爾文，約攝氏2,900度。韋伯實際測得晝面約2,050克爾文，接近攝氏1,780度；夜面約1,090克爾文，約攝氏820度。裸露岩石沒有任何辦法讓永夜的那一面保持溫暖。

即便如此，夜面的溫度仍不足以解釋那些消失的能量，因此大部分能量必定在吸收前就被反射掉。根據這個平衡，研究團隊推算出邦德反照率，行星將入射星光反射回太空的比例，約為0.74，誤差約正負十分之一。籠罩在硫酸雲中的金星約為0.77，地球約0.3，月球約0.1。實驗室測試顯示熔岩是反射率很低的物質，所以造成反射的並非地面本身。

電腦氣候模型也支持這個結論。研究團隊測試了水蒸氣、水加二氧化碳，以及近乎純氧的大氣，表面氣壓最高到10巴，約為地球的十倍。暗色裸岩產生的相位曲線遠大於觀測值；而反照率高的1至10巴大氣層則最接近觀測結果，無論氣體組成如何。作者推測，真實的大氣層可能還要更厚，因為這顆行星的低密度指向深厚的包層，而太薄的氣層不可能在數十億年的輻射轟擊下留存至今。

由沙塵物質構成的雲

最可能的反射體是矽酸鹽礦物的雲層，這個家族包含石英和普通沙子。晝面溫度高到足以讓岩漿海中的岩石蒸發；而在空氣冷卻之處，也就是晝面邊緣附近，這些蒸氣可以凝結成二氧化矽和矽酸鎂顆粒，在韋伯使用的波長下能非常有效地散射光線。

研究團隊測試了最嚴苛的情境：一顆完全不反射光線、因此晝面溫度可能最高的行星。即便如此，晨間那一側仍會形成雲層，單靠這些雲就足以產生約0.24的邦德反照率。這暗示了一種回饋機制：雲層冷卻晝面，較冷的空氣又讓更多雲形成，使行星變得更亮。雲層將光線反射回去的同時，也減少了驅使氣體逸散到太空的能量，等於為大氣層本身充當防曬乳。熱海王星LTT 9779 b也曾被提出有類似效應，它是已知反射率最高的系外行星之一。

這項發現沒有解決的問題

目前沒有人知道這層大氣由什麼組成。它可能是濃密的二氧化碳毯，一顆熱得多的金星；也可能富含二氧化硫，類似木星火山衛星木衛一（Io）噴發的氣體。氣候模型對富水與富氧的混合氣體配適程度幾乎一樣好，作者不願對這些可能性排序。

兩個NIRSpec探測器之間也存在分歧。其中一個顯示最熱點的位置比模型預測的更偏西，另一個則顯示夜面比任何模型重現的結果都更冷。研究團隊表示，這可能是殘餘的恆星閃爍、某個探測器已知的漂移，或者是雲層或氣體隨波長變化的真實差異。溫度數據依賴的紅外波段錯過了行星光芒的峰值，因此屬於最佳估計值。

最深層的問題是：這層大氣為什麼存在？逃逸理論認為，受到如此強烈輻射的超級地球應該已被剝得一乾二淨。作者列出四種可能的解釋：這顆行星誕生時就富含氣體，原本是一顆迷你海王星；較重的次生大氣流失速度遠比輕盈的氫氣層慢；行星在較遠處形成，之後才在恆星最狂暴的年輕時期過後向內遷移；或者，熔融內部封存的氣體正慢慢滲漏出來，使岩漿海猶如一座遍布全行星的火山。以上幾種原因可能同時成立。

一顆岩石成分異常稀少的岩石世界

TOI-561 b是環繞該恆星已知四顆行星中最內側的一顆；這顆恆星比太陽略小、略冷，年齡約100億年，是太陽年齡的兩倍。這顆行星的寬度約為地球的1.4倍，質量約為地球的2.2倍，因此密度低於地球，也低於大多數軌道如此緊密的行星，這很早就暗示它有一層深厚的較輕物質。它繞恆星的距離比水星繞太陽還要近約35倍，公轉週期約10.7小時，接收到的星光約為地球的4,700倍。

關於TOI-561 b的常見問題

什麼是TOI-561 b？

它是一顆岩石超級地球，距離地球約280光年，寬度約為地球的1.4倍。它約10.7小時繞恆星一圈，距離近到科學家認為其表面是一片全球性的岩漿海。

TOI-561 b有大氣層嗎？

證據顯示有。韋伯量測到晝面溫度遠低於裸岩應有的溫度，同時夜面也溫暖，兩者加起來需要一層能反射光線並在行星各處傳遞熱能的濃厚大氣才能解釋。

熔岩行星可能會有雲嗎？

很可能。在TOI-561 b上，岩漿海產生的岩石蒸氣會在晝面空氣冷卻之處凝結成二氧化矽和矽酸鎂雲層，而這些雲正是其邦德反照率約0.74的主要解釋。

TOI-561 b上可能會有生命嗎？

不可能。這顆行星晝面溫度接近攝氏1,800度，表面又是熔融岩石，遠超出任何已知生命能夠存活的範圍。它的價值在於讓我們了解岩石行星如何保留或失去大氣層。

接下來會做什麼

同一批韋伯資料還包含一條凌日光譜，也就是行星越過恆星前方時，星光穿過其大氣層的過濾訊號；研究團隊將在後續論文中分析這些資料，以探測大氣層的厚度、成分與雲層。他們也正在模擬行星內部與大氣層如何共同演化，看哪一條逃逸路徑最符合觀測結果。

韋伯是在2024年5月的兩天內，以觀測計畫3860收集到這組相位曲線。由卡內基科學研究所的Johanna Teske領導的晝面初步分析已於2025年12月公布，當時就發現這顆行星對裸岩來說太冷了。相位曲線論文於2026年9月29日線上發表，伯明罕大學則在2026年10月26日宣布這項成果。

決定性的考驗是使用韋伯的MIRI中紅外儀器取得相位曲線；這將能獨立鎖定晝面與夜面溫度，較不受恆星閃爍影響，還能涵蓋二氧化碳留下強烈訊號的15微米波段。「用韋伯在更長波長觀測這顆行星，可望為我們帶來洞見，也有助於解釋這樣一顆高溫行星為何能將大氣層維持數十億年，」Dang說。

參考文獻：Boucher et al., “A Highly Reflective Atmosphere on the Lava World TOI-561b Revealed by JWST/NIRSpec Phase Curves,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae9763

標籤: 天文學, James Webb Space Telescope, 系外行星, TOI-561 b, 熔岩行星, 系外行星大氣