年輕系外行星的大氣層與誕生地成分出乎意料不同

天文學家長期認為，發育中行星應該與孕育它們的旋轉氣體與塵埃盤有相似成分，就像孩子外貌與父母相似。但最新研究顯示，相似性可能比預期更薄弱，顯示行星形成過程更複雜。

現職美國西北大學的台裔許智鈞博士領導團隊，用夏威夷毛納基峰凱克天文台，觀測一顆形成中系外行星及原行星盤，發現行星大氣層的氣體組成與原行星盤氣體成分有明顯差異，驗證現有行星形成模型太簡化的疑慮。論文發表於《天體物理學通訊》。這也是首次比較系外行星、原行星盤與母恆星數據的研究。

此次研究目標是PDS 70行星誕生系統，同時保有原行星盤及行星，包括兩顆類似木星的氣體巨行星PDS 70b與PDS 70c，距地球366光年，年齡最多500萬年，仍屬年輕階段。原行星盤是圍繞新生恆星旋轉的氣體與塵埃盤。數百萬年過去，重力將氣體與塵埃聚集成團塊，最終形成行星。直到最近，科學家才能直接觀測原行星盤並追蹤行星形成過程。但多數已知系外行星年齡太古老，行星盤早就消失。PDS 70系統是少數同時展示兩顆形成中行星及形成材料的罕見例子。

先前研究分析了PDS 70原行星盤氣體成分，此次首次測量行星本身組成，並與原行星盤材料比較。團隊以光譜分析PDS 70b發出的光線。光譜就像指紋，可揭示物體成分、運動、溫度及其他特徵。每種分子或元素都會產生獨特的光譜訊號，研究員可精確辨識行星特定分子或元素。

團隊利用光譜數據分析PDS 70b一氧化碳和水組成，並計算大氣層碳與氧的比例。結果顯示，行星碳氧比明顯低於原行星盤比例。團隊推測，這種不匹配可能源於兩種狀況。第一種解釋是，這顆行星可能在原行星盤的碳含量增加前就形成。另一種解釋是，除了氣體，行星可能透過吸積大量固態物質成長。雖然光譜只顯示氣體成分，但部分碳與氧最初可能來自冰和塵埃捕獲的固態物質。如果行星優先吸收冰與塵埃，這些固態材料可能進入行星前就蒸發。不能僅比較氣體與氣體成分，固態材料可能在碳氧比例扮演重要角色。

研究顯示，現在行星形成模型可能太簡化。根據簡化模型，行星若透過原行星盤氣體累積物質，大氣層碳與氧的比例應與原行星盤一致。但此次觀測顯示，這顆行星的碳氧比例遠低於原行星盤比例，確認現有模型的侷限性。