JWST在一个系统中观测到四颗系外行星

拓牛李强

这幅艺术家的渲染图展示了恒星HR 8799和它的四颗行星之一HR 8799c。它说明了这个系统处于进化的早期阶段。它还显示了恒星的尘埃盘和岩石内行星。鸣谢:邓拉普天文学和天体物理学研究所

（）据《今日宇宙》（埃文·高夫）：当JWST在2022年7月启动它的穿透红外眼时，它面对着一个由热切的国际天文学界汇编的庞大目标列表。遥远的早期星系，在尘埃盘中形成的新生行星，以及宇宙黑暗时代的结束和第一缕曙光都在名单上。但是系外行星也在名单上，有数以千计的系外行星吸引着人们去研究。

但是一个遥远的太阳系脱颖而出:HR 8799，一个大约133光年远的系统。

为什么这个系统优于其他系统？15年前，天文学家发现了围绕这颗恒星运行的三颗系外行星。不久后，他们宣布了第四个，都是直接成像探测到的。它们都是在宽轨道上的大质量行星，这很罕见。HR 8799系统也年轻，另一个重要点。

它们在15年前被发现的事实也很重要；这意味着我们对这些行星的观测跨越了很长一段时间。这种类型的数据对了解其他太阳系至关重要，因为数据的持续时间描绘了一幅更完整的画面。



鸣谢:美国宇航局

然而，它也提出了更多的问题，并激起了我们对更多答案的渴望。

这就是为什么JWST最近观察到了这个系统。它的MIRI仪器和日冕仪可以进行高对比度成像，这是更好地了解这个系统所需要的。

一篇新论文展示了这些观察的结果。它的标题是“用JWST的MIRI日冕仪对HR 8799系统内尘埃带和四颗系外行星的成像探测”它将出现在《天文学和天体物理学》杂志上，目前已经发布到arXiv预印本服务器上。主要作者是来自法国巴黎天文台LESIA的Anthony Boccaletti。

HR 8799的质量是太阳的1.5倍，亮度几乎是太阳的5倍。它也被一个碎片盘包围着，只有大约3000万年的历史。年轻的太阳系很重要，因为它们可以揭示行星形成背后的复杂细节，这是JWST号建造的目的之一。

这四颗行星是HR 8799 b、c、d和e。它们都是大质量行星，质量在木星的5.7到9.1倍之间，勉强低于氘聚变发生的温度，使它们成为褐矮星。它们距离恒星16到71个天文单位，轨道大约45到460年。它们的半径都是木星半径的1.2倍。



海尔望远镜拍摄的HR8799行星系统的肖像。第四颗行星最终被发现。鸣谢:美国宇航局/JPL加州理工学院/帕洛马天文台

遵循大于5 AU的大轨道的大质量巨行星是罕见的。所以这类行星的每一个实例都很重要。MIRI的高对比度成像可以为这些类型的系统打开一个新的窗口，并允许科学家更全面地描述它们的特征。迄今为止，对该系统的中红外观测一直很困难。不仅如此，JWST的角分辨率使得观测更加有力。

JWST发现了什么？

“总的来说，HR 8799系统的MIRI图像产生了与近红外非常不同的视觉，清晰地探测到了四颗行星，以及局部但扩展的中心发射，”作者写道。

JWST能够完善我们已经知道的这个系统的某些方面。这项工作的主要目标是更好地描述行星大气层的特征。

虽然围绕这些行星的性质还存在一些不确定性，如果它们是褐矮星，JWST的观测就打消了这个想法。“它们的颜色表明这四颗巨行星不同于实地褐矮星，”作者写道。

它们的温度范围从900 K到1300 K，HR 8799 b更暗更冷。JWST的测量显示，行星b的温度比之前的观测显示的要低，这表明望远镜的能力更强。MIRI还明确确定了两种大气化学物质:H2O和一氧化碳。作者说，有一个有争议的甲烷检测，这是他们是行星而不是褐矮星的额外证据。褐矮星总是在这样的温度下显示出甲烷的特征。

JWST的MIRI仪器是用不同的过滤器制造的。它们的部分设计是为了调查氨的存在，氨是类地行星上的固体生物标志。不幸的是，这四颗行星对于氨来说有点太热了。“因此，目前的数据无法对HR 8799行星中氨特征的可探测性做出结论，”论文指出。如果它检测到氨，这将是头条新闻。



这是JWST的HR 8799及其四颗行星的MIRI图像之一。致谢:Boccaletti等人，2023年

HR 8799系统还因其碎片盘而值得注意。它的不同寻常之处在于它有两条皮带。研究人员想知道外带的内边缘是否是由质量介于木星和土星之间的第五颗行星造成的。其他人认为它可能是一团尘埃。

但是JWST表明它是一个背景物体，似乎已经结束了这场争论。“有了一个新的数据点，与之前的探测相隔4.44年，我们现在可以有把握地得出结论，这是一个背景物体，”作者写道。



JWST MIRI仪器上的强大过滤器在HR 8799结束了关于潜在第五行星的辩论。这张MIRI图像有助于确定该物体实际上是一个背景物体。致谢:Boccaletti等人，2023年

这是JWST第一次用MIRI仪器观察年轻的系外行星系统，包括它的过滤器和日冕仪。“JWST上的MIRI仪器现在提供中红外波长的高对比度成像能力，从而开辟了一个全新的研究领域，以表征年轻的系外行星系统，”作者解释道。

因此，这项工作的主要目的是测试观察结果和不同的算法，以确定如何在未来的工作中最好地使用它，以及如何解释结果。例如，成功地测量行星的通量意味着解释日冕仪如何衰减图像，这取决于行星的位置。

这些观察有助于更有效地使用仪器。具有讽刺意味的是，MIRI的日冕仪如此敏感，以至于理解其年轻恒星系统的图像具有挑战性。该仪器的使用还处于初级阶段，日冕仪的极端灵敏度“可以使年轻系统观测的检测和解释非常具有挑战性，更不用说与背景星系有关的混乱了，”作者写道。

作者指出，仍有改进的空间，这些结果只会导致未来结果的改善。