韦伯望远镜发现颠覆行星形成理论的新证据

天文学家借助詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），对一颗被称为“禁忌行星”的系外巨行星 TOI-5205 b 进行了更深入的观测，结果发现其大气中重元素含量异常之低，甚至低于它所围绕的母恒星，这一发现直接挑战了行星形成与演化的传统理论。

相关研究发表于《天文学杂志》（The Astronomical Journal），由美国宇航局戈达德太空飞行中心的 Caleb Cañas 领衔，卡内基科学研究所的 Shubham Kanodia 及多国科研团队参与完成。

TOI-5205 b 的体积与木星相近，但其母恒星却是一颗体型远小得多的红矮星：恒星半径约为木星的四倍，质量约为太阳的 40%。 当行星从地球视线方向掠过恒星前方、发生“凌星”现象时，它会遮挡约 6% 的恒星光度。 科学家利用光谱仪对凌星过程中不同波长光线的变化进行分析，从而反演行星大气的化学组成，进而推断其形成历史。

按照主流理论，行星诞生于年轻恒星周围由气体和尘埃构成的旋转盘中，巨行星一般在富含物质的盘中演化而成。 然而，在像 TOI-5205 这样体量较小、温度较低的恒星附近，却存在一颗体积巨大的近轨道行星，这样的行星—恒星配比和轨道构型，很难用现有模型合理解释，因此被称为“禁忌行星”。

为系统研究此类“反常”行星，Kanodia、Cañas 与坦帕大学的 Jessica Libby-Roberts 正牵头实施 JWST 第二周期中规模最大的系外行星观测项目之一——“红矮星与七巨行星”（Red Dwarfs and the Seven Giants）计划，专门聚焦这类围绕 M 型矮星运行的巨行星，统称为 GEMS（巨型系外行星与 M 矮星系统）。

TOI-5205 b 最初由 NASA 的凌日系外行星巡天卫星（TESS）发现，并被标注为候选体。 2023 年，Kanodia 通过后续观测确认了这颗行星的存在；目前，他也是利用 JWST 对其大气进行首次详细刻画的核心成员之一。

团队通过对三次凌星事件的数据分析发现，TOI-5205 b 大气中，相对于氢元素的重元素丰度不仅低于木星，甚至低于它的母恒星。 这与人们对巨行星的一般预期截然相反——通常巨行星在形成过程中会富集更多重元素，因此其整体“金属丰度”往往高于宿主恒星。 观测还在该行星大气中检测到了甲烷（CH₄）和硫化氢（H₂S）的存在，为其化学结构提供了更多线索。

为了理解观测到的大气“贫金属”现象，苏黎世大学的 Simon Muller 和 Ravit Helled 使用行星内部结构模型，对 TOI-5205 b 的整体成分进行了推演。 结果表明，相较于通过凌星方法测得的大气成分，这颗行星整体的“金属丰度”很可能高出约 100 倍。 简言之，行星内部富含重元素，但这些重元素并未有效混入大气。

论文合作者 Kanodia 解释说，模型预期的总体金属含量与观测到的大气金属含量之间存在明显缺口，这提示行星在形成过程中，重元素更偏向向内迁移，被“锁定”在深部内部，与外层大气之间的物质混合效率较低。 综合各种证据，团队认为 TOI-5205 b 拥有一个“碳元素丰富、氧元素贫乏”的异常大气环境。

在数据处理过程中，研究人员还特别纳入了母恒星黑子（starspots）的影响。 这些恒星表面较暗的区域会以微妙方式改变观测到的光谱特征：增强某些波段的相对强度，同时掩盖潜在的大气信号，若不加修正，容易对大气成分的判断造成偏差。 Wallack 与 Kanodia 目前正在一项新的 JWST 观测中进一步验证这套修正方法，希望为今后研究高活动性恒星周围行星的大气提供更可靠的观测与分析框架。

这项研究属于 GEMS 巡天计划的一部分，目标是系统观测围绕 M 型矮星运行的凌星巨行星，厘清它们的形成过程、内部结构及大气性质。 参与团队中还包括卡内基科学研究所的天文学家 Peter Gao、Johanna Teske 和 Nicole Wallack，以及现已转任教职、曾任卡内基博士后的 Anjali Piette 等人。