JWST首次在太陽系外行星中發現二氧化碳

行星的形成有兩種模型，分別是「由上而下」和「由下而上」。科學家認為，太陽系中的行星，包括木星和土星，都是透過「由下而上」的方式形成的，即先形成固體核心，然後被氫和氦包圍，最終達到巨大的體積。然而，天文學家對於這種形成方式是否普遍存在仍不確定，因此觀察其他星系中的行星形成過程至關重要。

HR 8799系統大約有3000萬年的歷史，距離地球約130光年。以星系的發展階段來看，這樣的距離算是相當接近。通常，即使在JWST的幫助下，我們也無法直接觀測到如此遙遠的行星。然而，HR 8799系統中的行星非常年輕，形成過程中的高溫使它們釋放出足夠的紅外輻射，從而能夠被直接觀測到。甚至有一段影片記錄了它們在12年內的運動軌跡。

JWST不僅能觀測到這些行星，還能進一步分析它們的組成。它能夠檢測到每顆行星的獨特色彩，透過分析被吸收的波長來揭示其大氣層的成分。約翰霍普金斯大學的博士生William Balmer是這項研究的第一作者，他將JWST對HR 8799系統的觀測結果與另一個更近且更年輕的系統——51 Eridani進行了比較。

Balmer表示：「透過發現這些強烈的二氧化碳特徵，我們證明瞭這些行星的大氣中含有大量的重元素，如碳、氧和鐵。考慮到它們所環繞的恆星，這很可能表明它們是透過核心吸積的方式形成的。對於我們能夠直接觀測的行星來說，這是一個令人興奮的結論。」

如果行星是透過「由上而下」的方式形成的，它們的組成應該與其恆星相似。然而，測量HR 8799中比氦更重的元素比例非常困難，但我們認為它不會如此之高。對於51 Eridani b，這項研究並沒有揭示太多關於其組成的資訊，但支援了先前關於其軌道非常偏離圓形的猜測。

除了二氧化碳，JWST還在這些行星中發現了不同數量的甲烷和一氧化碳，這暗示了它們形成過程中的差異。研究共同負責人Laurent Pueyo博士表示：「我們有其他證據表明，HR 8799系統中的四顆行星是透過『由下而上』的方式形成的。對於我們能夠直接觀測的長週期行星來說，這種方式有多普遍？我們還不知道，但我們正在提出更多的JWST觀測計劃，以回答這個問題。」

儘管這些行星非常炙熱，但在從地球拍攝的影象中，它們的光芒仍然被其恆星所掩蓋。然而，由於沒有大氣層來散射光線，JWST的日冕儀能夠更有效地阻擋恆星的光線，使行星清晰可見，甚至能夠辨識出特定的氣體。

JWST曾在WASP-39 b透過其恆星與地球之間時檢測到二氧化碳的存在，但這被認為是間接檢測，因為它只是記錄了恆星光譜中的吸收線。相比之下，這次的發現是直接的，觀測到了與二氧化碳相關的特定色彩。

然而，當我們試圖在岩石行星的大氣中尋找二氧化碳或其他更強烈的生命跡象時，間接方法仍然是我們可能依賴的主要手段。即使經過數十億年，這些行星也不會適合生命生存，但這並不意味著它們不會影響其系統的宜居性。Balmer指出：「如果這些巨大的行星像保齡球一樣穿過你的太陽系，它們可能會嚴重破壞或保護像地球這樣的行星，甚至兩者兼而有之。因此，更多地瞭解它們的形成過程，是理解未來類地行星形成、生存和宜居性的關鍵一步。」

研究人員還慶祝了JWST能夠識別出HR 8799e的二氧化碳色彩，這是該系統四顆已知行星中最靠近恆星的一顆，因此也是最難與恆星光芒區分的一顆。這項研究發表在《天文學期刊》上。