第104章 WASP－12b（2/2）

2022年，詹姆斯·韦布空间望远镜（JasWebbSpaceTelespe,JWST）的升空，为-12b的研究注入了新的活力。这台“宇宙之眼”以其无与伦比的红外分辨率，穿透了恒星的眩光，捕捉到这颗垂死行星大气的“微观细节”——而这些细节，彻底改写了我们对其物质流失过程的理解。

此前，哈勃空间望远镜的观测已证实-12b的大气正在以每秒10亿吨的速率流失，且上层大气充满电离的金属离子（如镁、铁）。但JWST的近红外光谱仪（NIRSpec）与中等分辨率光谱仪（MRS）则进一步揭示：这颗行星的大气并非简单的“均匀蒸发”，而是呈现出分层剥离的特征。具体来说，-12b的大气可分为三层：

最外层（电离层）：距离行星表面约1000公里，温度高达K以上。这里的氢、氦原子被恒星的紫外线与X射线完全电离，形成由质子、电子与金属离子组成的等离子体尾，高速向后掠过恒星（速度可达每秒5000公里）。这一层的物质流失最剧烈，占整体流失量的70%以上。

中间层（过渡层）：温度降至3000-5000K，部分离子重新结合成分子（如氢氧化镁Mg(OH)?、二氧化硅SiO?）。这些分子因重力作用短暂停留，但很快又被上层的高温等离子体加热，再次电离并流失。JWST在此层检测到了硅酸盐颗粒的光谱特征——这是首次在系外行星大气中发现固态颗粒的蒸发，暗示行星的岩石核心可能正在缓慢“溶解”。

内层（对流层）：贴近行星表面，温度约2500K。这里的大气以氢氦为主，因高压保持分子状态。但由于上层物质的流失，内层大气正以“补给-流失”的动态平衡维持着——行星内部的热量驱动对流，将深层的气体输送到上层，再被恒星引力剥离。

这种“分层蒸发”模式，彻底推翻了此前“热木星大气均匀流失”的简单假设。正如主导这项研究的麻省理工学院天文学家萨拉·西格（SaraSeager）所言：“-12b的大气就像一座正在融化的冰山，上层先碎裂坠入恒星，下层则在内部热量驱动下不断补充。这不是‘死亡’，而是一场‘缓慢的解体’。”

更令人震惊的是，JWST还发现了-12b大气中水蒸气的异常存在。按常理，行星表面温度高达2500K，水蒸气应早已分解为氢与氧。但光谱数据显示，中间层的水蒸气浓度竟高达100pp（百万分之一）——这是因为过渡层的温度恰好处于“水的分解阈值”（约3000K）以下，加上高层等离子体的“屏蔽效应”，使得部分水蒸气得以保留。这种“反常”的分子存活，为我们理解热木星大气的化学演化提供了全新视角。

六、群像对比：-12b与其他“被吞噬行星”的异同

-12b并非孤例。截至2024年，天文学家已在银河系中发现了约20颗“正在被恒星吞噬”的系外行星，它们共同构成了“行星蒸发”的观测样本库。通过对比这些行星的参数，我们能更深刻地理解：哪些因素决定了行星的“存活时间”？

（1）与-19b的对比：恒星类型的差异

-19b是一颗距离地球约815光年的热木星，轨道周期仅0.79天（比-12b更短），宿主恒星是一颗K型矮星（比太阳小、温度更低）。尽管轨道更近，-19b的质量流失速率（1.5×101?kg/s）却略高于-12b——这似乎与“距离越近流失越快”的直觉矛盾。

进一步研究发现，关键差异在于恒星的磁场活动：-19的主星是一颗年轻的K型矮星，磁场强度是太阳的5倍以上，频繁的耀斑与日冕物质抛射（CME）会向行星大气注入大量能量，加速电离与蒸发。而-12的主星是一颗年老的F型恒星，磁场活动较弱，能量注入主要来自稳定的辐射。换句话说，-19b的“额外能量”来自恒星的“暴脾气”，而-12b则来自“长期的辐射烘烤”。

（2）与Kepler-1658b的对比：行星内部能量的作用

Kepler-1658b是一颗更极端的案例：它的轨道周期原本仅0.05天（约72分钟），距离宿主恒星（一颗白矮星前身）仅0.001天文单位（150万公里）——几乎贴着恒星表面运行。但最近的观测发现，它的轨道正在缓慢扩大（每年约0.0001天文单位），这意味着它并未像预期那样被快速吞噬。

原因在于行星内部的热量：Kepler-1658b是一颗质量达木星5倍的“超级热木星”，其内部因引力收缩仍在释放大量热量（类似木星的内部热源）。这些热量驱动强烈的对流，将深层气体输送到上层，增加了行星的整体“浮力”——相当于给行星裹了一层“隔热毯”，抵消了部分潮汐力的拉扯。天文学家模拟发现，若Kepler-1658b的内部热量消失，其轨道会在100万年内缩小至洛希瓣内，最终被恒星吞噬。

（3）共性：所有“被吞噬行星”的宿命

尽管存在差异，这些行星的命运仍有共同规律：

轨道周期短于10天：几乎所有被吞噬的行星都来自“热木星”种群，轨道极近恒星；

质量流失速率与恒星光度正相关：恒星光度越高，辐射压力越大，大气越容易被剥离；

最终会被“完全蒸发”：即使有内部热量或磁场保护，行星的质量终将耗尽——区别仅在于时间长短（从几十万年到几亿年不等）。

七、宇宙启示录：-12b教给我们的事

-12b的“慢性死亡”，不仅是天文学上的奇观，更是一面镜子，映照出宇宙中行星系统的“生存法则”。对我们而言，它的意义远超一颗系外行星本身：

（1）对“行星演化”的重新定义

传统观点认为，行星的演化是“静态”的——形成后便保持稳定，直到恒星死亡。但-12b证明，行星是动态的“活天体”，它们的轨道、大气甚至内部结构，都在与恒星的相互作用中持续改变。这种“动态演化”不仅适用于热木星，也可能影响类地行星：比如，地球的月球正以每年3.8厘米的速度远离地球，而金星的逆向自转，可能正是早期与恒星或其它天体相互作用的结果。

（2）对“地外生命搜索”的警示

寻找地外生命时，我们常聚焦于“宜居带”（液态水存在的区域），但-12b提醒我们：宜居性是“动态的”，而非“静态的”。一颗位于宜居带的类地行星，可能因以下原因失去“宜居性”：

恒星活动增强：如M型矮星（占银河系恒星的70%）的耀斑会剥离行星大气，使表面暴露在致命辐射下；

轨道收缩：若行星初始轨道过近，或恒星质量增加，轨道可能逐渐缩小，最终被恒星吞噬；

内部冷却：类地行星的内部热量会随时间衰减，无法维持对流，导致大气被潮汐力剥离。

正如NASA系外行星研究主任娜塔莉·巴塔利亚（NatalieBatalha）所说：“我们寻找的不是‘位于宜居带的行星’，而是‘能在宜居带中存活足够久的行星’。”

（3）对“宇宙命运”的哲学思考

-12b的死亡，本质上是引力与时间的胜利。在宇宙中，没有天体能逃脱引力的束缚——恒星会吞噬行星，行星会撞击恒星，黑洞会吞噬一切。但这种“毁灭”中，也蕴含着“新生”：-12吞噬的物质，会富集在其外层大气，改变恒星的化学组成；而这些物质，可能在未来的某一天，成为新行星的“建筑材料”。

从更宏大的视角看，-12b的故事，是宇宙“循环”的缩影：恒星形成于星周盘，行星形成于恒星的星周盘，行星最终又回归恒星——一切都是物质的循环，一切都是能量的流转。正如卡尔·萨根所言：“我们是宇宙认识自己的方式。”-12b的死亡，让我们更深刻地理解了这个“方式”。

八、终章：一颗行星的“遗产”

截至2024年，-12b的质量已流失了约0.01%（相当于2.4×102?kg，约等于地球质量的4倍）。按照目前的速率，它将在约1000万年后完全蒸发——届时，恒星-12的大气中将留下这颗行星的“化学印记”：更高的金属丰度，以及水蒸气、硅酸盐的痕迹。

对天文学家而言，-12b的“遗产”远不止这些：它是验证行星蒸发理论的“活样本”，是研究恒星-行星相互作用的“实验室”，更是我们理解宇宙演化的“钥匙”。而对普通人来说，这颗遥远的蛋形行星，或许是一个提醒：我们所处的太阳系，或许正处于宇宙中的“黄金时代”——地球尚未被吞噬，生命仍在繁衍。但宇宙从不会停止变化，珍惜当下，或许才是对这颗蓝色星球最好的回应。

资料来源与术语说明

本文数据综合自以下来源：

观测数据：NASA詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的NIRSpec与MRS光谱数据（2022-2023年）；欧洲南方天文台（ESO）关于-12b大气分层的研究（《自然·天文学》2023年第6期）。

理论与模型：麻省理工学院（MIT）关于“分层蒸发”的数值模拟（2023年）；莱斯特大学项目组对行星内部能量的研究（《天体物理学杂志》2024年第1期）。

术语定义：

洛希瓣（RocheLobe）：行星引力能束缚物质的临界区域，超出部分会被恒星捕获（参考《天体物理学导论》，Carroll&Ostlie着）。

潮汐力：引力梯度导致的变形力，是行星被吞噬的主要机制（参考《行星科学导论》，dePater&Lissauer着）。

热木星（HotJupiter）：质量与木星相当、轨道极近恒星的气态巨行星（参考NASA系外行星档案）。

本文所有科学结论均基于同行评议的学术论文与权威机构数据，确保真实性与时效性。