韋伯望遠鏡觀測系外行星，重新定義行星和恆星之間的界線

太陽系中的行星是如何誕生的？科學家普遍認為行星是「由小到大」，透過相互碰撞、聚集而形成的天體。然而，當行星的質量大到一定程度時，單靠這種方式便難以解釋行星的形成。

近期，天文學家利用NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）觀測了一顆質量約為木星15倍的系外行星「天鵝座29b」（29 Cygni b）。研究發現多項證據顯示其確實源自吸積過程，為巨型行星的起源提供了新見解。相關成果於4月14日發表在《天文物理期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上。

▲ 系外行星天鵝座29b是一顆氣態巨行星，質量約為木星的15倍。天文學家利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對天鵝座29b進行了研究。他們確定，天鵝座29b很可能是由吸積作用而非從原行星盤碎裂形成的。（Source：NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)）

根據目前的理論，行星源自於恆星周圍由氣體與塵埃構成的原行星盤中，塵埃先凝聚成礫石，隨後互相碰撞成長為原行星，最終演化成行星；其中體型較大者會進一步吸收氣體，成為類似木星的氣體巨行星。然而，由於氣體巨行星形成時間較長，過程中原行星盤物質一旦蒸發消失，氣體巨行星便無法繼續成長。另一方面，恆星的誕生則是「由大到小」。也就是從巨大的氣體雲發生碎裂開始，各碎塊在自身重力下塌縮，變得更小且緻密。

天鵝座29b正好位處於這兩種機制的界線上。它的質量達木星的15倍，與母恆星的平均距離約24億公里，與太陽系中的天王星相當。該研究團隊的計畫主持人、約翰霍普金斯大學與太空望遠鏡科學研究所的威廉·巴爾默（William Balmer）指出，在電腦模擬中，原行星盤的碎裂過程很容易產生比天鵝座29b更重的碎塊，現在天鵝座29b幾乎是碎裂機制所能產生的質量下限，但與此同時卻也是吸積過程所能達到的質量上限。

研究團隊利用韋伯望遠鏡的近紅外線相機（NIRCam）搭配日冕儀模式，直接拍攝天鵝座29b的影像。這顆行星尚處於形成初期的高溫階段，表面溫度約在攝氏530至1,000度左右。透過特定的濾鏡組合，團隊得以尋找行星大氣中二氧化碳與一氧化碳吸收譜線，進而測定其重元素（天文學家統稱為「金屬」）的含量。觀測結果顯示，天鵝座29b的金屬含量相較於母恆星豐富。考量到其巨大的質量，其包含的重元素總量約相當於150個地球，這顯示天鵝座29b是從原行星盤吸積了大量富含金屬的固體物質而成。

▲ 天文學家利用詹姆斯韋伯太空望遠鏡直接拍攝了天鵝座29b的影像。他們發現了碳和氧等重化學元素的證據，這強烈顯示它像行星一樣，是在原行星盤內透過吸積作用形成的。（Source：NASA, ESA, CSA, William Balmer (JHU, STScI), Laurent Pueyo (STScI); Image Processing: Alyssa Pagan (STScI)）

除了化學成分，研究團隊還利用地面的 CHARA 望遠鏡陣列，確認了天鵝座29b的公轉軌道方向與母恆星的自轉方向一致，這正是從原行星盤誕生的典型特徵，與太陽系行星的排列方式非常相似。「綜合這些證據，強烈顯示天鵝座29b是透過快速吸積金屬物質而成，而非從大團氣體碎裂。」巴爾默總結道：「換言之，它的形成過程更像是行星，而非恆星。」隨著研究團隊持續收集其他三顆目標天體的資料，科學家希望能進一步對比不同質量等級行星的組成差異，藉此深入了解宇宙中物質循環與行星系統的形成過程。

（本文由台北天文館授權轉載；首圖來源：pixabay）