一项发表于《天文杂志》的研究，由美国宇航局戈达德太空飞行中心的Caleb Cañas领导的国际团队完成，卡内基科学研究所的Shubham Kanodia等人也做出了贡献，揭示了一颗名为TOI-5205 b的系外行星拥有令人困惑的大气层。

绕小恒星运行的巨型行星

TOI-5205 b的大小与木星相当，但绕着一颗小得多的恒星运行，这颗恒星的大小约为木星的四倍，质量仅为太阳的40%左右。当行星在称为“凌日”的事件中从恒星前面经过时，它会阻挡大约6%的恒星光线。在这些凌日过程中，天文学家使用光谱仪将星光分解为其成分颜色，从而识别行星大气层的化学组成，并深入了解其形成和演化过程。

行星形成理论的难题

行星通常形成于围绕年轻恒星的气体和尘埃旋转盘内。虽然这一过程已被广泛接受，但像TOI-5205 b这样的系统对现有模型提出了挑战。使用当前的理论很难解释近距离围绕小而冷的恒星运行的大质量行星。为了研究这些不寻常的系统，坦帕大学的Kanodia、Cañas和Jessica Libby-Roberts正在领导JWST最大的第二周期系外行星项目“红矮星和七巨头”，重点关注像TOI-5205 b这样的稀有世界，通常被称为GEMS（M矮星周围的巨型系外行星）。

JWST检测到意外的大气化学物质

TOI-5205 b于2023年首次得到确认，当时Kanodia根据NASA凌日系外行星勘测卫星（TESS）的数据进行了后续观测。现在，研究人员首次使用JWST详细检查了其大气层。在观察了三次凌日之后，研究小组遇到了意想不到的结果：与木星相比，该行星大气中的重元素含量明显少于氢；更令人惊讶的是，它的金属丰度低于其自身主恒星的金属丰度，这使其不同于迄今为止研究的任何巨行星。数据还揭示了甲烷（CH₄）和硫化氢（H₂S）的存在。

重元素可能隐藏在内部深处

为了更好地理解这些发现，苏黎世大学的研究人员Simon Müller和Ravit Helled使用了先进的行星内部模型。他们的结果表明，整个行星的金属含量比其大气层的含量高出约100倍。Kanodia解释说：“我们观察到的金属丰度比我们的模型预测的行星整体成分要低得多，这是根据行星质量和半径的测量计算得出的。这表明它的重元素在形成过程中向内迁移，现在它的内部和大气没有混合。总而言之，这些结果表明行星大气层富含碳、贫氧。”

GEMS调查和未来研究

这项工作是更广泛的GEMS巡天的一部分，旨在研究M矮星周围的凌日巨行星，以更好地了解它们的形成、内部结构和大气层。该研究小组包括卡内基天文学家Peter Gao、Johanna Teske和Nicole Wallack，以及前卡内基博士后研究员Anjali Piette（现就职于伯明翰大学）。其他贡献者来自约翰·霍普金斯大学应用物理实验室、中央研究院天文与天体物理研究所、天主教大学、马里兰大学、加州理工学院、NASA戈达德、圣安德鲁斯大学、宾夕法尼亚州立大学、加州大学欧文分校、塔塔基础研究所和阿姆斯特丹大学等机构。

校正星点可提高准确性

该团队还解释了主星上的星黑子造成的干扰。这些黑暗的活跃区域可能会通过增亮某些波长并隐藏部分大气信号来扭曲观测结果。通过校正这些影响，研究人员提高了测量的准确性。Wallack和Kanodia现在正在一个专注于同一系统的新JWST项目中完善这种方法，他们的工作可以帮助未来对围绕活跃恒星运行的行星的研究产生更可靠的结果。