韦伯的最新发现首次捕捉到遥远行星大气中二氧化碳的直接图像，为系外行星研究开启了激动人心的新篇章。此次突破不仅证实了 HR 8799 的大质量行星很可能像木星和土星一样通过核心吸积形成，而且还证明了韦伯以前所未有的细节分析外星世界的能力。
韦伯太空望远镜首次直接探测到系外行星大气中的二氧化碳，证明了它能够以前所未有的方式分析外星世界。这一发现为巨行星的形成方式以及我们的太阳系是否真正独一无二提供了新线索。图片来源：NASA
詹姆斯·韦伯太空望远镜首次直接拍摄到系外行星的二氧化碳图像，标志着行星科学的一个重要里程碑。这一发现来自 HR 8799 系统，该系统距离我们130光年，一直是研究行星形成方式的焦点。
这些观测结果提供了令人信服的证据，表明 HR 8799 的四颗巨行星可能以与木星和土星相同的方式形成，即随着时间的推移逐渐形成吸引气体的固体核心。这些发现还表明，韦伯望远镜的能力不仅在于从星光推断大气成分；它现在可以直接分析系外行星大气的化学成分。
“通过发现这些强烈的二氧化碳特征，我们表明这些行星的大气中存在相当一部分较重的元素，例如碳、氧和铁。根据我们对它们所绕行的恒星的了解，这很可能表明它们是通过核心吸积形成的，对于我们能够直接看到的行星来说，这是一个令人兴奋的结论，”领导这项研究的约翰霍普金斯大学天体物理学家威廉·巴尔默说。
该项研究还分析了距离我们 96 光年的波江座 51 系统，研究结果于今日（3 月 17 日）发表在《天体物理学杂志》上。
这是迄今为止最清晰的红外图像，可以看到标志性的多行星系统 HR 8799。颜色应用于韦伯近红外相机的滤镜。星号标记了主星 HR 8799 的位置，其光线已被日冕仪阻挡。在此图像中，蓝色表示 4.1 微米的光，绿色表示 4.3 微米的光，红色表示 4.6 微米的光 图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、W. Balmer（约翰霍普金斯大学）、L. Pueyo（STScI）、M. Perrin（STScI）
HR 8799 是一个年轻的系统，约有 3000 万年历史，只是我们太阳系 46 亿年历史的一小部分。HR 8799 行星因剧烈形成而仍然很热，它们发出大量红外光，为科学家提供了宝贵的数据，让他们了解这些行星的形成过程与恒星或棕矮星的形成过程有何不同。
巨行星的形成有两种方式：缓慢形成吸引气体的固体核心，就像我们的太阳系一样；或者从年轻恒星的冷却盘迅速坍缩成大质量物体。了解哪种模式更常见可以为科学家提供线索，以区分他们在其他系统中发现的行星类型。
“我们希望通过这类研究，与其他系外行星系统进行比较，了解我们自己的太阳系、生命和我们自己，这样我们就可以了解我们的存在背景，”巴尔默说。“我们想拍摄其他太阳系的照片，看看它们与我们的太阳系相比有何相似或不同之处。从那里，我们可以试着了解我们的太阳系到底有多奇怪——或者有多正常。”
韦伯拍摄了这幅 Eridani 51 b 的照片，这是一颗年轻的冷行星，绕恒星运行 110 亿英里。这幅图像包括将 4.1 微米光表示为红色的滤光片。图片来源：NASA、ESA、CSA、STScI、W. Balmer（约翰霍普金斯大学）、L. Pueyo（STScI）、M. Perrin（STScI）
很少有系外行星被直接成像，因为遥远的行星比它们的恒星暗数千倍。通过捕捉只有韦伯望远镜才能获得的特定波长的直接图像，该团队正在为更详细的观测铺平道路，以确定他们看到的围绕其他恒星运行的物体是真正的巨行星还是像棕矮星这样的物体，这些物体的形成方式与恒星相似，但积累的质量不足以点燃核聚变。
“我们还有其他证据暗示这四颗 HR 8799 行星是使用这种自下而上的方法形成的，”太空望远镜科学研究所的天文学家、这项研究的共同负责人 Laurent Pueyo 说道。“对于我们可以直接成像的长周期行星来说，这种情况有多普遍？我们还不知道，但我们计划在二氧化碳诊断的启发下，进行更多韦伯观测，以回答这个问题。”
这项成就得益于韦伯的日冕仪，日冕仪可以阻挡明亮恒星发出的光线，就像日食时一样，从而揭示隐藏的世界。这使得团队能够寻找波长可以揭示特定气体和其他大气细节的红外光。
研究小组瞄准 3-5 微米波长范围，发现 HR 8799 的四颗行星含有比之前认为的更多的重元素，这再次暗示它们的形成方式与太阳系的气态巨行星相同。观测还首次发现最内层行星 HR 8799 e（波长为 4.6 微米）和 51 Eridani b（波长为 4.1 微米），展现了韦伯在观察靠近明亮恒星的暗淡行星方面的灵敏度。
2022 年，韦伯的一项关键观测技术通过追踪另一颗系外行星 WASP-39 b 的大气层经过其恒星前方时如何改变星光，间接探测到了该行星上的二氧化碳。
普约说：“自詹姆斯·韦伯太空望远镜发射以来，科学家们一直在对凌日行星或孤立的棕矮星进行研究。”
雷米·索默 (Rémi Soummer) 是太空望远镜科学研究所光学实验室主任，曾领导韦伯日冕仪操作，他补充道：“我们知道 JWST 可以在直接成像系统中测量外行星的颜色。我们已经等待了 10 年，以确认我们对望远镜的精细调整操作是否也能让我们接触到内行星。现在结果出来了，我们可以用它进行有趣的科学研究。”
研究团队希望利用韦伯日冕仪分析更多的巨行星，并将其成分与理论模型进行比较。
“这些巨行星有着相当大的影响，”巴尔默说。“如果这些巨大的行星像保龄球一样穿过你的太阳系，它们可以真正破坏、保护我们的行星，或者两者兼而有之，因此更多地了解它们的形成是了解未来类地行星的形成、生存和宜居性的关键一步。”
编译自/ScitechDaily