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距离地球约880光年处，一颗大气混乱泄漏的系外行星正缓慢向太空流失大气，形成两条巨大的氦尾，延伸范围超过其宿主恒星半周。这是新研究作者所称的此类现象首次被观测到。天文学家此前曾见过大气泄漏的系外行星，但通常仅在行星凌日时获得短暂瞥见。此次，研究人员成功在该系外行星完整轨道周期内持续监测其大气逃逸，为这一现象带来新见解——包括其机制、流失气体的去向及对行星演化的意义。
研究聚焦于WASP-121b（又名Tylos），这是一颗极端系外行星，因汽化金属云、红宝石与蓝宝石雨及已知最快大气喷流等特性而闻名。它属于超热木星类别：这类系外气态巨行星与木星大致相似，但距宿主恒星近得多，因此温度极高。Tylos距恒星极近，轨道周期仅30小时——意味着Tylos上的一年约等于地球上的一天。强烈辐射将其大气加热至数千度，造就极端环境，使氢、氦等轻气体得以逃逸至太空。
大气逃逸在某些情况下可能迅速发生，但通常是渐进过程，少量气体缓慢流失。不过，即便缓慢泄漏，长期也会显著改变行星大小与成分，可能影响其演化。此前对大气逃逸的认知多来自行星凌日期间的数小时数据，仅捕捉轨道中一小部分情况。在新研究中，研究者利用詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）的近红外成像仪和无狭缝光谱仪，对Tylos进行了近37小时的连续观测，获得其完整轨道周期以上的空前数据。
（图：NASA、ESA及G. Bacon/STSci绘制的系外行星WASP-121b及其恒星示意图）他们扫描Tylos轨道路径的红外波长氦吸收信号（大气逃逸的公认标志），发现其氦气晕延伸远超行星本身，占据轨道近60%范围。这是迄今最长的大气逃逸连续观测，揭示了“持续且大规模的外流”，研究者写道。奇怪的是，Tylos并非仅产生单一气流，氦原子形成两条清晰尾流：一条尾随行星，另一条延伸至行星前方。两条尾流均极为巨大，总面积超过Tylos直径的100倍。
“我们对氦外流的持续时间感到难以置信的惊讶，”第一作者Romain Allart（蒙特利尔大学及特罗蒂尔系外行星研究所天文学家）表示。“这一发现揭示了塑造系外行星大气的复杂物理过程及其与恒星环境的相...
研究者推测，辐射与恒星风可能引导一条尾流尾随行星，而恒星引力可能拉扯前导尾流，使其在轨道中弯曲至Tylos前方。需进一步研究探索这些及其他力如何影响大气外流，并完善更准确模拟相关物理过程的三维模型。除解释Tylos的双氦尾外，对大气流失的深入理解还能揭示行星演化的更广泛秘密——包括此类气体泄漏是否能将巨型气态巨行星转化为较小的类海王星行星，甚至剥离为裸露的岩石核心。
“这真正是一个转折点，”Allart称，“我们现在必须重新思考如何模拟大气质量流失——不仅是简单流动，而是与恒星相互作用的三维几何结构。这对理解行星如何演化及气态巨行星能否变为裸岩至关重要。该研究发表于《自然·通讯》。”
