韦伯望远镜首次直接拍摄到“三体”星系的行星

一颗温和的超级木星。

韦伯望远镜拍摄的系外气体巨行星“埃普西隆Indi Ab”（图左侧）。五角星标注出的是主星所在的位置，星冕仪遮挡了主星“埃普西隆Indi A”发出的光芒（虚线内的黑圆）。NASA / ESA / CSA / STScI / E. Matthews

詹姆斯・韦伯红外空间望远镜首次直接拍摄到了一颗系外行星——一颗温和的超级木星。这颗行星距离地球约12光年，隶属于一个三体星系。它可能是迄今为止天文学家直接拍摄到的最年老也最寒冷的行星。

这颗行星围绕着恒星“埃普西隆Indi A”运行。“埃普西隆Indi A”是一颗K级恒星，年龄与我们的太阳相仿。围绕着“埃普西隆Indi A”运行的这颗行星被命名为“埃普西隆Indi Ab”。

“埃普西隆Indi A”其实是一个三体星系（三合星），拥有另外两位成员——两颗褐矮星。褐矮星是一种因为某些原因没能发育成熟的恒星。

韦伯的这一发现是在德国马克斯・普朗克天文研究所行星恒星形成系博士后Elisabeth Matthews主持下完成的。

该发现的重要性体现在多个方面，最主要的是，到目前为止人类发现并确认的超过5000颗系外行星大部分是通过凌星法发现的，另外一小部分是通过径向速度法探测到的。能够直接成像，也就是直接拍摄到行星照片的极少。

直接拍摄系外行星要面临很大的挑战。来自母星的耀眼光辉会淹没相对昏暗的行星。韦伯需要使用一种名叫星冕仪的设备来遮挡恒星，消除母星的光芒，使行星显露出来。

此前通过径向速度法，科学家已经间接探测到“埃普西隆Indi A”周围可能存在一颗大质量行星——因为“埃普西隆Indi A”会发生有规律的细微晃动，表明有一个大质量天体在一边牵制着它，一边围绕着它运行。韦伯的照片证明了科学家的推测是对的。

“埃普西隆Indi Ab”的质量是我们太阳系木星的大约6倍，其轨道半主轴长度大约是28个天文单位，轨道倾角约为103度。

但是韦伯拍到的“埃普西隆Indi Ab”身上存在着许多疑点。这颗行星有可能并不是科学家此前通过径向速度法推测可能存在的那一颗。

首先“埃普西隆Indi Ab”的质量是理论上那颗行星的两倍，和母星的距离比理论上那颗行星要远，其绕行母星运行的轨道也与理论上那颗行星不太一样。这可能会成为下一阶段研究人员要努力解开的谜。

其次“埃普西隆Indi Ab”的大气成分也与理论预测有所不同。尽管目前的光谱数据有限，研究人员已经可以看出它在短波红外光谱上比较昏暗。

“埃普西隆Indi Ab”是迄今为止被直接拍摄到的系外行星中，最像木星的一颗。但温度要比木星高一些，质量则要大很多。

被直接拍摄到的系外行星大多十分炽热，它们依然在向外辐射形成过程中遗留下来的热量——也正因为这样，它们比较容易被拍到，特别是在红外波段上。

处于这一年龄阶段的行星大多处于收缩和冷却的过程中。随着它们变得越来越冷，也会变得越来越难被拍到。

大部分能够被直接拍到的行星都比“埃普西隆Indi Ab”年轻，它们的形成时间在5亿年以下。被所有发现的系外类木行星中，大部分是所谓的炽热木星。这类行星的轨道距离主星都非常近，因此比较适合使用凌星法进行探测。这类行星大部分被潮汐锁定，意味着它们永远只有一个半球面对它们的太阳，因此在它们的日照面温度非常高。比如KELT-9b是一颗炽热木星，它的日照面温度高达4300摄氏度，比大部分恒星还高。

但“埃普西隆Indi Ab”不一样，它的表面温度大约只有2摄氏度，是迄今所有被直接拍摄到的系外行星中温度最低的。这个温度只比太阳系气体巨行星的平均温度高100摄氏度，可以成为科学家研究太阳系气体巨行星的类比物。

“埃普西隆Indi Ab”有限的大气光谱数据显示，它的大气在较短波长的红外线上比较昏暗。这可能意味着它的大气层中有大量的云；或者包含甲烷、一氧化碳和二氧化碳这些能够吸收短波红外线的物质。

“埃普西隆Indi Ab”在短波红外线上较为昏暗表明它的碳/氧比较高。而高碳/氧比是行星形成和演化方式的指示器。它表明孕育了行星的原行星盘内含有丰富的碳。它是揭示行星在何处形成，是否经历过迁徙等信息的重要线索。

高碳也意味着更多的富碳分子，比如甲烷、二氧化碳和一氧化碳。高碳/氧比会影响行星的气候。二氧化碳和甲烷都是温室气体。高碳/氧比还会影响云的形成——云量增加会让行星的反照率增加，反射掉更多的阳光。

“埃普西隆Indi Ab”的所谓“金属”比例也很高。富含“金属”意味着行星的质量更高，也意味着形成期间的行星在攫取更多质量方面更为有效和迅速。它还会影响行星在原行星盘中会怎样迁徙。

研究人员不知道其他低温系外行星是否也会同样的特点，但首先需要更好地理解“埃普西隆Indi Ab”身上的这些特点。现在的研究只是个开始，未来的光谱探测和成像会揭示“埃普西隆Indi Ab”身上的更多细节。

“埃普西隆Indi Ab”隶属的三体系统也是一个令人感兴趣的研究方向。“埃普西隆Indi A”星系内另有两颗间隔甚远的褐矮星。褐矮星和气体巨行星之间的界限一直以来都是模糊的，因此研究人员希望能够了解更多与这些天体的形成方式有关的信息，尤其是当它们同处一个天体系统内时。

参考
NASA’s Webb Images Cold Exoplanet 12 Light-Years Away
https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-images-cold-exoplanet-12-light-years-away/
A temperate super-Jupiter imaged with JWST in the mid-infrared
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07837-8