韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)顛覆行星形成理論的新證據(jù)

天文學(xué)家借助詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），對一顆被稱為“禁忌行星”的系外巨行星 TOI-5205 b 進(jìn)行了更深入的觀測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其大氣中重元素含量異常之低，甚至低于它所圍繞的母恒星，這一發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了行星形成與演化的傳統(tǒng)理論。

相關(guān)研究發(fā)表于《天文學(xué)雜志》（The Astronomical Journal），由美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的 Caleb Ca?as 領(lǐng)銜，卡內(nèi)基科學(xué)研究所的 Shubham Kanodia 及多國科研團(tuán)隊(duì)參與完成。

TOI-5205 b 的體積與木星相近，但其母恒星卻是一顆體型遠(yuǎn)小得多的紅矮星：恒星半徑約為木星的四倍，質(zhì)量約為太陽的 40%。 當(dāng)行星從地球視線方向掠過恒星前方、發(fā)生“凌星”現(xiàn)象時，它會遮擋約 6% 的恒星光度。 科學(xué)家利用光譜儀對凌星過程中不同波長光線的變化進(jìn)行分析，從而反演行星大氣的化學(xué)組成，進(jìn)而推斷其形成歷史。

按照主流理論，行星誕生于年輕恒星周圍由氣體和塵埃構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)盤中，巨行星一般在富含物質(zhì)的盤中演化而成。 然而，在像 TOI-5205 這樣體量較小、溫度較低的恒星附近，卻存在一顆體積巨大的近軌道行星，這樣的行星—恒星配比和軌道構(gòu)型，很難用現(xiàn)有模型合理解釋，因此被稱為“禁忌行星”。

為系統(tǒng)研究此類“反常”行星，Kanodia、Ca?as 與坦帕大學(xué)的 Jessica Libby-Roberts 正牽頭實(shí)施 JWST 第二周期中規(guī)模最大的系外行星觀測項(xiàng)目之一——“紅矮星與七巨行星”（Red Dwarfs and the Seven Giants）計(jì)劃，專門聚焦這類圍繞 M 型矮星運(yùn)行的巨行星，統(tǒng)稱為 GEMS（巨型系外行星與 M 矮星系統(tǒng)）。

TOI-5205 b 最初由 NASA 的凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）發(fā)現(xiàn)，并被標(biāo)注為候選體。 2023 年，Kanodia 通過后續(xù)觀測確認(rèn)了這顆行星的存在；目前，他也是利用 JWST 對其大氣進(jìn)行首次詳細(xì)刻畫的核心成員之一。

團(tuán)隊(duì)通過對三次凌星事件的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，TOI-5205 b 大氣中，相對于氫元素的重元素豐度不僅低于木星，甚至低于它的母恒星。 這與人們對巨行星的一般預(yù)期截然相反——通常巨行星在形成過程中會富集更多重元素，因此其整體“金屬豐度”往往高于宿主恒星。 觀測還在該行星大氣中檢測到了甲烷（CH?）和硫化氫（H?S）的存在，為其化學(xué)結(jié)構(gòu)提供了更多線索。

為了理解觀測到的大氣“貧金屬”現(xiàn)象，蘇黎世大學(xué)的 Simon Muller 和 Ravit Helled 使用行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，對 TOI-5205 b 的整體成分進(jìn)行了推演。 結(jié)果表明，相較于通過凌星方法測得的大氣成分，這顆行星整體的“金屬豐度”很可能高出約 100 倍。 簡言之，行星內(nèi)部富含重元素，但這些重元素并未有效混入大氣。

論文合作者 Kanodia 解釋說，模型預(yù)期的總體金屬含量與觀測到的大氣金屬含量之間存在明顯缺口，這提示行星在形成過程中，重元素更偏向向內(nèi)遷移，被“鎖定”在深部內(nèi)部，與外層大氣之間的物質(zhì)混合效率較低。 綜合各種證據(jù)，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為 TOI-5205 b 擁有一個“碳元素豐富、氧元素貧乏”的異常大氣環(huán)境。

在數(shù)據(jù)處理過程中，研究人員還特別納入了母恒星黑子（starspots）的影響。 這些恒星表面較暗的區(qū)域會以微妙方式改變觀測到的光譜特征：增強(qiáng)某些波段的相對強(qiáng)度，同時掩蓋潛在的大氣信號，若不加修正，容易對大氣成分的判斷造成偏差。 Wallack 與 Kanodia 目前正在一項(xiàng)新的 JWST 觀測中進(jìn)一步驗(yàn)證這套修正方法，希望為今后研究高活動性恒星周圍行星的大氣提供更可靠的觀測與分析框架。

這項(xiàng)研究屬于 GEMS 巡天計(jì)劃的一部分，目標(biāo)是系統(tǒng)觀測圍繞 M 型矮星運(yùn)行的凌星巨行星，厘清它們的形成過程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及大氣性質(zhì)。 參與團(tuán)隊(duì)中還包括卡內(nèi)基科學(xué)研究所的天文學(xué)家 Peter Gao、Johanna Teske 和 Nicole Wallack，以及現(xiàn)已轉(zhuǎn)任教職、曾任卡內(nèi)基博士后的 Anjali Piette 等人。