韋布望遠(yuǎn)鏡拍攝了年輕氣態(tài)巨行星 并探測到二氧化碳

HR 8799是一個距離地球130光年的年輕行星系統(tǒng)，長期以來一直是行星形成研究的關(guān)鍵目標(biāo)。

觀測結(jié)果表明，HR 8799系統(tǒng)中已廣泛研究的行星富含二氧化碳?xì)怏w。這一發(fā)現(xiàn)提供了有力證據(jù)，表明該系統(tǒng)的四顆巨行星的形成方式類似于木星和土星——通過核心吸積過程逐步積累固體核心，并從原行星盤中吸引氣體。

研究結(jié)果還證實，韋布望遠(yuǎn)鏡能夠通過成像推斷系外行星大氣的化學(xué)成分。這一技術(shù)與韋布望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大的光譜儀相互補(bǔ)充，后者可以解析大氣的具體組成。

“通過探測到強(qiáng)烈的二氧化碳特征，我們表明這些行星大氣中包含大量較重的元素，如碳、氧和鐵，”約翰·霍普金斯大學(xué)的威廉·巴爾默（William Balmer）表示。“結(jié)合我們對它們所環(huán)繞恒星的了解，這很可能表明它們是通過核心吸積形成的。對于我們能夠直接觀測的行星來說，這是一個激動人心的結(jié)論。”

巴爾默是今日發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）上的研究論文的主要作者。巴爾默及其團(tuán)隊的分析還包括韋布望遠(yuǎn)鏡對距離地球97光年的51玉夫座（51 Eridani）系統(tǒng)的觀測。

圖像A：HR 8799（NIRCam 圖像） 圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、W. Balmer（JHU）、L. Pueyo（STScI）、M. Perrin（STScI）

這張圖像展示了行星系統(tǒng) HR 8799。背景為黑色，中央是一個被遮擋的恒星符號，標(biāo)注為 HR 8799。圍繞這顆恒星，四顆系外行星呈現(xiàn)為模糊的光點。

• 最遠(yuǎn)的是一個微弱的藍(lán)色光點，標(biāo)注為“b”，位于10點鐘方向。

• 在1點鐘方向，距離恒星第二遠(yuǎn)的是一個藍(lán)白色光點，標(biāo)注為“c”。

• 再往下是一個橙色光點，標(biāo)注為“e”。

• 4點鐘方向靠近恒星處還有一個白色光點，標(biāo)注為“d”。

詹姆斯·韋布望遠(yuǎn)鏡提供了迄今為止對HR 8799這一標(biāo)志性多行星系統(tǒng)最清晰的紅外視圖。距離恒星最近的行星 HR 8799 e 軌道半徑約15億英里，相當(dāng)于太陽系中土星和海王星之間的距離。而最遠(yuǎn)的行星 HR 8799 b 軌道半徑約63億英里，是海王星軌道距離的兩倍多。圖像中顏色代表了韋布望遠(yuǎn)鏡NIRCam（近紅外相機(jī)）的不同濾波波段：藍(lán)色對應(yīng)4.1微米光，綠色對應(yīng)4.3微米光，紅色對應(yīng)4.6微米光。

圖像B：51玉夫座（NIRCam 圖像）

圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、W. Balmer（JHU）、L. Pueyo（STScI）、M. Perrin（STScI）

這張圖像展示了系外行星51 Eridani b（簡稱51 Eri b）。背景主要為黑色，中心有一個被遮擋的恒星符號，標(biāo)注為“51 Eri”。左側(cè)有一個模糊的亮紅色圓點，標(biāo)注為“b”，這便是該行星。

韋布望遠(yuǎn)鏡的NIRCam捕捉到了51 Eridani b 的紅外圖像。這是一顆較冷的年輕系外行星，其軌道半徑約8.9億英里，與太陽系中土星的軌道類似。51 Eridani系統(tǒng)距離地球97光年。圖像中的紅色代表4.1微米光。背景中的紅色斑點并非其他行星的光，而是圖像處理過程中光減法操作的殘余效應(yīng)。

HR 8799：年輕的氣態(tài)巨行星系統(tǒng)

HR 8799約有3000萬年的歷史，相比之下，我們的太陽系已有46億年。由于仍處于形成后的高溫狀態(tài)，該系統(tǒng)的行星釋放出大量紅外光，為科學(xué)家提供了有關(guān)其形成過程的重要數(shù)據(jù)。

氣態(tài)巨行星有兩種主要形成方式：

1. 通過核心吸積（Core Accretion）：像太陽系中的木星和土星一樣，逐步積累較重元素的固體核心，并吸引氣體形成。

2. 通過盤不穩(wěn)定性（Disk Instability）：在年輕恒星的冷卻氣體盤中，氣體顆粒迅速聚集，形成大質(zhì)量天體。這些天體的成分與恒星相似。

了解哪種形成機(jī)制更常見，有助于科學(xué)家區(qū)分不同類型的系外行星。

“我們的研究目標(biāo)是通過對比其他系外行星系統(tǒng)，深入理解我們的太陽系、生命以及自身的存在背景，”巴爾默表示。“我們希望拍攝其他恒星系統(tǒng)的圖像，看看它們與我們的太陽系是相似還是不同。從中我們可以判斷，太陽系究竟是獨特的，還是普遍存在的一種行星系統(tǒng)類型。”

圖像C：年輕氣態(tài)巨行星 HR 8799 e（NIRCam 光譜） 圖片來源：NASA、ESA、CSA、STScI、J. Olmsted（STScI）

這張圖表展示了HR 8799 e的光譜數(shù)據(jù)，標(biāo)題為“系外行星 HR 8799 e：氣態(tài)巨行星中的二氧化碳”。

• X軸為光波長（微米），范圍為3.6至5.0微米。

• Y軸為行星的光量，范圍從較少（底部）到較多（頂部）。

• 圖中三個位于紅色標(biāo)記上的數(shù)據(jù)點代表韋布望遠(yuǎn)鏡NIRCam的觀測結(jié)果，并帶有白色誤差棒。

• 兩條最佳擬合模型曲線分別以藍(lán)色和黃色表示不同金屬含量的情況，曲線呈現(xiàn)多個峰值和谷值。

• 從4.3微米至4.4微米區(qū)域的綠色柱狀區(qū)域標(biāo)注為“二氧化碳（CO?）”，從4.4微米至4.8微米的紅色區(qū)域標(biāo)注為“一氧化碳（CO）”。

這張圖表展示了HR 8799 e的光譜特征，明確顯示二氧化碳和一氧化碳的存在，這些數(shù)據(jù)來自韋布望遠(yuǎn)鏡NIRCam的觀測。

迄今發(fā)現(xiàn)的近6000顆系外行星中，能被直接成像的極為少數(shù)。即便是巨行星，它們的亮度通常比其母星暗數(shù)千倍。韋布望遠(yuǎn)鏡的NIRCam搭載的日冕儀（Coronagraph）可阻擋恒星光芒，使原本隱藏的行星顯現(xiàn)出來。

這一技術(shù)使團(tuán)隊能夠探測行星在特定紅外波長下的光，發(fā)現(xiàn)大氣中吸收特定波長光的氣體。研究結(jié)果表明，HR 8799的四顆行星比此前認(rèn)為的含有更多重元素。

研究團(tuán)隊正為未來的觀測奠定基礎(chǔ)，以進(jìn)一步確定圍繞其他恒星運行的天體究竟是氣態(tài)巨行星，還是質(zhì)量不足以進(jìn)行核聚變的棕矮星。

“我們已有許多證據(jù)表明HR 8799的四顆行星是通過核心吸積形成的，”巴爾的摩太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的天文學(xué)家洛朗·普約（Laurent Pueyo）表示。“這種形成方式在可直接觀測的系外行星中普遍嗎？我們?nèi)匀徊磺宄覀冋媱澯庙f布望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更多觀測來解答這個問題。”

參考

https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-images-young-giant-exoplanets-detects-carbon-dioxide/