天文學(xué)家借助詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），對(duì)一顆被稱(chēng)為“禁忌行星”的系外巨行星 TOI-5205 b 進(jìn)行了更深入的觀測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其大氣中重元素含量異常之低，甚至低于它所圍繞的母恒星，這一發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了行星形成與演化的傳統(tǒng)理論。

相關(guān)研究發(fā)表于《天文學(xué)雜志》（The Astronomical Journal），由美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的 Caleb Ca?as 領(lǐng)銜，卡內(nèi)基科學(xué)研究所的 Shubham Kanodia 及多國(guó)科研團(tuán)隊(duì)參與完成。

TOI-5205 b 的體積與木星相近，但其母恒星卻是一顆體型遠(yuǎn)小得多的紅矮星：恒星半徑約為木星的四倍，質(zhì)量約為太陽(yáng)的 40%。 當(dāng)行星從地球視線方向掠過(guò)恒星前方、發(fā)生“凌星”現(xiàn)象時(shí)，它會(huì)遮擋約 6% 的恒星光度。 科學(xué)家利用光譜儀對(duì)凌星過(guò)程中不同波長(zhǎng)光線的變化進(jìn)行分析，從而反演行星大氣的化學(xué)組成，進(jìn)而推斷其形成歷史。

按照主流理論，行星誕生于年輕恒星周?chē)蓺怏w和塵埃構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)盤(pán)中，巨行星一般在富含物質(zhì)的盤(pán)中演化而成。 然而，在像 TOI-5205 這樣體量較小、溫度較低的恒星附近，卻存在一顆體積巨大的近軌道行星，這樣的行星—恒星配比和軌道構(gòu)型，很難用現(xiàn)有模型合理解釋?zhuān)虼吮环Q(chēng)為“禁忌行星”。

為系統(tǒng)研究此類(lèi)“反常”行星，Kanodia、Ca?as 與坦帕大學(xué)的 Jessica Libby-Roberts 正牽頭實(shí)施 JWST 第二周期中規(guī)模最大的系外行星觀測(cè)項(xiàng)目之一——“紅矮星與七巨行星”（Red Dwarfs and the Seven Giants）計(jì)劃，專(zhuān)門(mén)聚焦這類(lèi)圍繞 M 型矮星運(yùn)行的巨行星，統(tǒng)稱(chēng)為 GEMS（巨型系外行星與 M 矮星系統(tǒng)）。

TOI-5205 b 最初由 NASA 的凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）發(fā)現(xiàn)，并被標(biāo)注為候選體。 2023 年，Kanodia 通過(guò)后續(xù)觀測(cè)確認(rèn)了這顆行星的存在；目前，他也是利用 JWST 對(duì)其大氣進(jìn)行首次詳細(xì)刻畫(huà)的核心成員之一。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)三次凌星事件的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，TOI-5205 b 大氣中，相對(duì)于氫元素的重元素豐度不僅低于木星，甚至低于它的母恒星。 這與人們對(duì)巨行星的一般預(yù)期截然相反——通常巨行星在形成過(guò)程中會(huì)富集更多重元素，因此其整體“金屬豐度”往往高于宿主恒星。 觀測(cè)還在該行星大氣中檢測(cè)到了甲烷（CH?）和硫化氫（H?S）的存在，為其化學(xué)結(jié)構(gòu)提供了更多線索。

為了理解觀測(cè)到的大氣“貧金屬”現(xiàn)象，蘇黎世大學(xué)的 Simon Muller 和 Ravit Helled 使用行星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，對(duì) TOI-5205 b 的整體成分進(jìn)行了推演。 結(jié)果表明，相較于通過(guò)凌星方法測(cè)得的大氣成分，這顆行星整體的“金屬豐度”很可能高出約 100 倍。 簡(jiǎn)言之，行星內(nèi)部富含重元素，但這些重元素并未有效混入大氣。

論文合作者 Kanodia 解釋說(shuō)，模型預(yù)期的總體金屬含量與觀測(cè)到的大氣金屬含量之間存在明顯缺口，這提示行星在形成過(guò)程中，重元素更偏向向內(nèi)遷移，被“鎖定”在深部?jī)?nèi)部，與外層大氣之間的物質(zhì)混合效率較低。 綜合各種證據(jù)，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為 TOI-5205 b 擁有一個(gè)“碳元素豐富、氧元素貧乏”的異常大氣環(huán)境。

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，研究人員還特別納入了母恒星黑子（starspots）的影響。 這些恒星表面較暗的區(qū)域會(huì)以微妙方式改變觀測(cè)到的光譜特征：增強(qiáng)某些波段的相對(duì)強(qiáng)度，同時(shí)掩蓋潛在的大氣信號(hào)，若不加修正，容易對(duì)大氣成分的判斷造成偏差。 Wallack 與 Kanodia 目前正在一項(xiàng)新的 JWST 觀測(cè)中進(jìn)一步驗(yàn)證這套修正方法，希望為今后研究高活動(dòng)性恒星周?chē)行堑拇髿馓峁└煽康挠^測(cè)與分析框架。

這項(xiàng)研究屬于 GEMS 巡天計(jì)劃的一部分，目標(biāo)是系統(tǒng)觀測(cè)圍繞 M 型矮星運(yùn)行的凌星巨行星，厘清它們的形成過(guò)程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及大氣性質(zhì)。 參與團(tuán)隊(duì)中還包括卡內(nèi)基科學(xué)研究所的天文學(xué)家 Peter Gao、Johanna Teske 和 Nicole Wallack，以及現(xiàn)已轉(zhuǎn)任教職、曾任卡內(nèi)基博士后的 Anjali Piette 等人。