韋伯望遠鏡揭密：次海王星TOI-421b大氣成分首度曝光

次海王星是太陽系中未曾發現的系外行星型別，其體積遠小於氣態巨行星，溫度通常也低於熱木星。在NASA/ESA/CSA詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發射前，這類行星的觀測極具挑戰性。多數次海王星被厚重的雲霧遮蔽，導致科學家難以分析其大氣組成。如今，天文學家利用韋伯望遠鏡成功捕捉到TOI-421b的透射光譜，首度揭開這顆次海王星的大氣化學指紋。

TOI-421是一顆類太陽恆星，位於天兔座方向約245光年處。這顆又名BD-14 1137的恆星年齡約100億年，已知至少擁有兩顆大型系外行星。其中內側行星TOI-421b是一顆半徑為2.65倍地球的次海王星，平衡溫度高達攝氏647度（華氏1,197度）。

馬裡蘭大學天文學家布萊恩·達文波特與其團隊表示：「在韋伯望遠鏡問世前，科學家對次海王星的認識相當有限。雖然它們比地球大數倍，但仍遠小於氣態巨行星，溫度也低於熱木星，觀測難度更高。」

研究團隊指出，韋伯觀測前的重要發現是：多數次海王星大氣的透射光譜呈現平坦無特徵狀態。這意味當行星透過宿主恆星前方時，科學家本應看到揭示大氣成分的化學指紋光譜特徵，卻只觀測到平直的光譜線，推測可能是受到雲霧遮蔽所致。

馬裡蘭大學天文學家伊萊莎·肯普頓解釋：「我們選擇觀測TOI-421b，是因為推測它可能沒有霧霾遮蔽。先前資料顯示，溫度超過攝氏577度（華氏1,070度）的行星，其霧霾或雲層覆蓋程度可能較低。我們認為低溫環境下，陽光與甲烷氣體會發生複雜的光化學反應形成霧霾，而TOI-421b的溫度高達攝氏727度（華氏1,340度），遠超過這個臨界值。」

正如預期，研究團隊在無霧霾幹擾下，成功觀測到TOI-421b清晰的大氣光譜特徵。達文波特表示：「我們辨識出多種氣體的光譜特徵，得以確定其大氣組成。相較之下，先前觀測的次海王星大氣都被霧霾遮蔽，難以分析具體成分。」

研究發現TOI-421b大氣中含有水蒸氣，並可能存在一氧化碳和二氧化硫，但未檢測到甲烷和二氧化碳。資料還顯示該行星大氣中含有大量氫氣，這個以輕質氫氣為主的大氣組成讓科學家相當意外。

肯普頓博士指出：「我們原本預期次海王星應該具有重分子為主的大氣，但TOI-421b卻完全相反。這顯示它可能與先前觀測的較冷次海王星有不同的形成與演化過程。其氫氣為主的大氣組成與宿主恆星相似，這種特徵更接近太陽系中的巨行星，與目前韋伯觀測到的其他次海王星都不同。」

這項研究成果已發表於《天體物理學期刊通訊》，為理解次海王星的多樣性提供了重要線索。

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Brian Davenport 等學者，2025年。《TOI-421b：一顆無霧霾、低平均分子量的熱次海王星》。《天體物理學期刊通訊》984卷，L44；doi: 10.3847/2041-8213/adcd76