韦伯望远镜观测到‘禁忌’行星成分异常
艺术家描绘的一颗大型气态巨行星围绕名为TOI5205的小型红矮星运行的概念图。图片来源：KatherineCain绘制，卡内基科学研究所提供
一颗环绕小恒星运行的奇特巨行星正迫使天文学家重新思考行星系统的形成方式。
天文学家利用詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）对一颗常被称为禁忌的奇特系外行星TOI5205b进行了更深入的观测，发现了一些意想不到的情况。与它的母星相比，这颗行星的大气中重元素含量异常低。这与关于巨行星形成和演化的长期观点相悖。
这项研究发表在《天文学杂志》上，由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的CalebCañas领导，卡内基科学研究所的ShubhamKanodia以及一个国际研究团队做出了重要贡献。
TOI5205b的大小与木星相似，但围绕着一颗小得多的恒星运行，这颗恒星的大小约为木星的四倍，质量约为太阳的40％。当这颗行星在被称为凌日的现象中从其恒星前方经过时，它会遮挡恒星约6％的光线。科学家们使用能将光分解成不同颜色的光谱仪分析这些凌日现象，以确定该行星大气的化学成分并更好地了解其起源。
挑战行星形成理论
行星形成于围绕年轻恒星的气体和尘埃旋转盘内。尽管天文学家普遍认为巨行星在这些盘内形成，但像TOI5205b这样的系统却难以解释。一颗大型行星如此靠近一颗小而冷的恒星运行，并不完全符合现有的模型。
为了研究这些不寻常的系统，坦帕大学的Kanodia、Cañas和JessicaLibbyRoberts正在领导詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）最大的第二轮系外行星项目——《红矮星与七颗巨行星》。该项目聚焦于像TOI5205b这样的罕见天体，它们常被归为GEMS类别，即M型矮星周围的巨行星。
Kanodia此前通过对NASA的凌日系外行星调查卫星（TESS）数据的后续观测首次确认了TOI5205b，该卫星已将其识别为候选行星。他现在共同领导着对其大气进行首次详细研究的团队。
三次观测到的凌日数据揭示了一种意想不到的模式。该行星大气中重元素相对于氢的含量比木星少，甚至比其母星还少。这很不寻常，因为巨行星通常比它们的恒星富含更多重元素。
观测还在大气中检测到了甲烷（CH4）和硫化氢（H2S），进一步丰富了其化学组成的细节。
大气与内部的不匹配
为了解释这些结果，苏黎世大学的研究人员西蒙穆勒和拉维特赫尔德使用了行星结构模型。基于凌日测量数据，他们的分析表明，这颗行星整体的金属含量大约是其大气层的100倍。
我们观测到的行星整体成分的金属丰度远低于模型预测值，而行星整体成分是通过其质量和半径的测量结果计算得出的。卡诺迪亚解释道：这表明该行星在形成过程中重元素向内迁移，现在其内部和大气并未混合。总而言之，这些结果表明该行星的大气碳含量非常高，氧含量很低。
团队还考虑了宿主恒星上星斑的影响，这些星斑会扭曲观测数据。这些暗区通过增强特定波长和掩盖可能存在的大气信号来改变测量到的光线。
沃拉克和卡诺迪亚正在一项针对同一系统的最新JWST研究中测试这种校正方法。这种方法可能会改进未来对环绕活跃恒星运行的行星的观测。
《TOI5205b的透射光谱研究揭示显著的恒星污染和贫金属大气》，作者：CalebI。Cañas、JacobLustigYaeger、ShangMinTsai、SimonMüller、RavitHelled、ShubhamKanodia、DanaR。Louie、GianninaGuzmánCaloca、PeterGao、JessicaLibbyRoberts、KevinK。HardegreeUllman、KnicoleD。Colón、IanCzekala、MeganDelamer、TeHan、AndreaS。J。Lin、SuvrathMahadevan、ErinM。May、JoeP。Ninan、AnjaliA。A。Piette、GuðmundurStefánsson、KevinB。Stevenson、JohannaTeske及NicoleL。Wallack，近期发表于《天文学期刊》。DOI：10。384715383881ae4976。
这项研究是GEMS调查的一部分，该项目致力于研究M型矮星周围的凌日巨行星，以了解它们的形成、结构和大气。该研究团队还包括卡内基研究院的天文学家PeterGao、JohannaTeske和NicoleWallack，以及曾在卡内基担任博士后研究员、目前在伯明翰大学任教的AnjaliPiette。
相关知识
行星是围绕恒星运转的天体，需满足自身引力足以使形状近似圆球、能清除轨道周边小天体等条件。太阳系有八大行星，如水星、金星、地球等，它们在各自轨道有序运行，是宇宙中常见的天体类型，承载着人类探索生命与宇宙奥秘的重要意义。