韦布望远镜拍摄了年轻气态巨行星 并探测到二氧化碳

HR 8799是一个距离地球130光年的年轻行星系统，长期以来一直是行星形成研究的关键目标。

观测结果表明，HR 8799系统中已广泛研究的行星富含二氧化碳气体。这一发现提供了有力证据，表明该系统的四颗巨行星的形成方式类似于木星和土星——通过核心吸积过程逐步积累固体核心，并从原行星盘中吸引气体。

研究结果还证实，韦布望远镜能够通过成像推断系外行星大气的化学成分。这一技术与韦布望远镜强大的光谱仪相互补充，后者可以解析大气的具体组成。

“通过探测到强烈的二氧化碳特征，我们表明这些行星大气中包含大量较重的元素，如碳、氧和铁，”约翰·霍普金斯大学的威廉·巴尔默（William Balmer）表示。“结合我们对它们所环绕恒星的了解，这很可能表明它们是通过核心吸积形成的。对于我们能够直接观测的行星来说，这是一个激动人心的结论。”

巴尔默是今日发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上的研究论文的主要作者。巴尔默及其团队的分析还包括韦布望远镜对距离地球97光年的51玉夫座（51 Eridani）系统的观测。

这张图像展示了行星系统 HR 8799。背景为黑色，中央是一个被遮挡的恒星符号，标注为 HR 8799。围绕这颗恒星，四颗系外行星呈现为模糊的光点。

• 最远的是一个微弱的蓝色光点，标注为“b”，位于10点钟方向。

• 在1点钟方向，距离恒星第二远的是一个蓝白色光点，标注为“c”。

• 再往下是一个橙色光点，标注为“e”。

• 4点钟方向靠近恒星处还有一个白色光点，标注为“d”。

詹姆斯·韦布望远镜提供了迄今为止对HR 8799这一标志性多行星系统最清晰的红外视图。距离恒星最近的行星 HR 8799 e 轨道半径约15亿英里，相当于太阳系中土星和海王星之间的距离。而最远的行星 HR 8799 b 轨道半径约63亿英里，是海王星轨道距离的两倍多。图像中颜色代表了韦布望远镜NIRCam（近红外相机）的不同滤波波段：蓝色对应4.1微米光，绿色对应4.3微米光，红色对应4.6微米光。

图像B：51玉夫座（NIRCam 图像）

图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、W. Balmer（JHU）、L. Pueyo（STScI）、M. Perrin（STScI）

这张图像展示了系外行星51 Eridani b（简称51 Eri b）。背景主要为黑色，中心有一个被遮挡的恒星符号，标注为“51 Eri”。左侧有一个模糊的亮红色圆点，标注为“b”，这便是该行星。

韦布望远镜的NIRCam捕捉到了51 Eridani b 的红外图像。这是一颗较冷的年轻系外行星，其轨道半径约8.9亿英里，与太阳系中土星的轨道类似。51 Eridani系统距离地球97光年。图像中的红色代表4.1微米光。背景中的红色斑点并非其他行星的光，而是图像处理过程中光减法操作的残余效应。

HR 8799：年轻的气态巨行星系统

HR 8799约有3000万年的历史，相比之下，我们的太阳系已有46亿年。由于仍处于形成后的高温状态，该系统的行星释放出大量红外光，为科学家提供了有关其形成过程的重要数据。

气态巨行星有两种主要形成方式：

1. 通过核心吸积（Core Accretion）：像太阳系中的木星和土星一样，逐步积累较重元素的固体核心，并吸引气体形成。

2. 通过盘不稳定性（Disk Instability）：在年轻恒星的冷却气体盘中，气体颗粒迅速聚集，形成大质量天体。这些天体的成分与恒星相似。

了解哪种形成机制更常见，有助于科学家区分不同类型的系外行星。

“我们的研究目标是通过对比其他系外行星系统，深入理解我们的太阳系、生命以及自身的存在背景，”巴尔默表示。“我们希望拍摄其他恒星系统的图像，看看它们与我们的太阳系是相似还是不同。从中我们可以判断，太阳系究竟是独特的，还是普遍存在的一种行星系统类型。”

这张图表展示了HR 8799 e的光谱数据，标题为“系外行星 HR 8799 e：气态巨行星中的二氧化碳”。

• X轴为光波长（微米），范围为3.6至5.0微米。

• Y轴为行星的光量，范围从较少（底部）到较多（顶部）。

• 图中三个位于红色标记上的数据点代表韦布望远镜NIRCam的观测结果，并带有白色误差棒。

• 两条最佳拟合模型曲线分别以蓝色和黄色表示不同金属含量的情况，曲线呈现多个峰值和谷值。

• 从4.3微米至4.4微米区域的绿色柱状区域标注为“二氧化碳（CO₂）”，从4.4微米至4.8微米的红色区域标注为“一氧化碳（CO）”。

这张图表展示了HR 8799 e的光谱特征，明确显示二氧化碳和一氧化碳的存在，这些数据来自韦布望远镜NIRCam的观测。

迄今发现的近6000颗系外行星中，能被直接成像的极为少数。即便是巨行星，它们的亮度通常比其母星暗数千倍。韦布望远镜的NIRCam搭载的日冕仪（Coronagraph）可阻挡恒星光芒，使原本隐藏的行星显现出来。

这一技术使团队能够探测行星在特定红外波长下的光，发现大气中吸收特定波长光的气体。研究结果表明，HR 8799的四颗行星比此前认为的含有更多重元素。

研究团队正为未来的观测奠定基础，以进一步确定围绕其他恒星运行的天体究竟是气态巨行星，还是质量不足以进行核聚变的棕矮星。

“我们已有许多证据表明HR 8799的四颗行星是通过核心吸积形成的，”巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家洛朗·普约（Laurent Pueyo）表示。“这种形成方式在可直接观测的系外行星中普遍吗？我们仍然不清楚，但我们正计划用韦布望远镜进行更多观测来解答这个问题。”

参考

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