詹姆斯韦伯太空望远镜证实巨行星大气层差异很大

围绕太阳运行的气态巨行星显示出清晰的模式;行星的质量越大，行星大气中“重”元素(氢和氦以外的任何元素)的百分比就越低。但在银河系外，一个国际天文学家小组发现，巨行星的大气成分不符合太阳系趋势。

研究人员使用美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)发现，系外行星HD149026b的大气层是一颗“热木星”，绕着一颗与我们的太阳相当的恒星运行，其大气中的重元素碳和氧含量非常丰富，远高于科学家的预期期待一颗质量如此之大的行星。此外，HD149026b(也称为“Smertrios”)的诊断碳氧比相对于我们的太阳系有所升高。

研究人员表示，这些发现于3月27日发表在《自然》杂志的“一颗土星质量行星的高大气金属富集度”上，是朝着对大量系外行星样本进行类似测量以寻找统计趋势迈出的重要的第一步。它们还提供了对行星形成的洞察力。

“似乎每颗巨行星都是不同的，多亏了JWST，我们开始看到这些差异，”艺术与科学学院物理科学DavidC.Duncan教授兼合著者JonathanLunine说。的研究。“在这篇论文中，我们已经确定了相对于气体的主要成分有多少分子，氢是宇宙中最常见的元素。这告诉了我们很多关于这颗行星是如何形成的。”

我们太阳系的巨行星在整体成分和大气成分之间表现出近乎完美的相关性芝加哥大学天文学和天体物理学教授、该论文的第一作者雅各布·比恩说，太阳系外行星的整体成分表现出更大的多样性，但在对HD149026b进行分析之前，科学家们并不知道它们的大气成分有多大差异。

“我们已经明确表明，巨大的太阳系外行星的大气成分并不遵循太阳系行星中如此明显的相同趋势，”比恩说。“巨大的太阳系外行星除了整体成分的广泛多样性外，还显示出大气成分的广泛多样性。”

Lunine说，Smertrios与它的质量相比是超级丰富的。“这是土星的质量，但它的大气中重元素的含量似乎是我们在土星中发现的氢和氦的27倍。”

Lunine说，这个比率被称为“金属度”(尽管它包括许多非金属元素)，可用于将行星与其母星或系统中的其他行星进行比较。Smertrios是这个特定行星系统中唯一已知的行星。

Lunine说，另一个关键测量是行星大气中碳与氧的比例，它揭示了行星系统中原始固体的“配方”。对于Smertrios，它大约是0.84——比我们的太阳系高。在我们的太阳中，每两个氧原子(0.55)比一个碳多一点。

“总的来说，这些观察描绘了一个行星形成盘的画面，其中有大量富含碳的固体，”Lunine说。“HD149026b在形成时获得了大量这种材料。”

虽然丰富的碳似乎有利于生命的机会，但高碳氧比实际上意味着行星或行星系统中的水较少——正如我们所知，这是生命面临的问题。

Lunine说，Smertrios是这项特定研究的第一个有趣的大气成分案例，他计划在来年使用JWST观测另外五颗巨大的系外行星。在天文学家能够发现巨行星之间或具有多个巨行星或类地行星的系统中的任何模式之前，还需要进行更多的观察才能发现天文学家开始记录的组成多样性。

“这种多样性的起源是我们理解行星形成的一个基本谜团，”比恩说。“我们希望JWST对太阳系外行星的进一步大气观测将更好地量化这种多样性，并对可能存在的更复杂趋势产生限制。”