一个拥有四颗超大体积气态巨行星的遥远恒星系统带来了一个惊喜。得益于詹姆斯·韦伯太空望远镜强大的观测能力，天文学家在其大气层中探测到了硫——这是一个化学线索，表明这些行星像木星一样，通过缓慢积累固态核心而形成。这出乎意料，因为这些行星的体积远超模型曾允许的范围，且其公转轨道距离母星也远比模型曾认为的更加遥远。
这种重叠引出了天文学中的一个重大问题。这些巨大的行星究竟是如何形成的？一种可能性是核心吸积，即被认为创造了木星和土星的相同过程。在这种 scenario 中，一个固体核心在尘埃和冰的盘内缓慢积聚，聚集岩石和冰物质，直到它变得足够大，能够吸引周围的气体。另一种可能性是引力不稳定性，即年轻恒星周围旋转的气体云在其自身引力作用下迅速坍缩，形成一个更像褐矮星的大型天体。
由加州大学圣地亚哥分校领导的一个研究团队着手利用詹姆斯·韦伯空间望远镜的数据来探究这个谜团。通过研究 HR 8799 恒星系统，他们发现了提供惊人答案的证据。他们的研究结果发表在《自然·天文学》上。
HR 8799 系统及其超级木星
HR 8799 位于飞马座，距离我们约 133 光年。它拥有四颗巨大的行星，每颗的质量都在木星的五到十倍之间。这些世界的轨道距离范围在 15 到 70 个天文单位之间，这意味着即使是最靠近的行星，其距离恒星的距离也是地球到太阳距离的 15 倍。行星的质量范围为 5-10 倍木星质量，因此即使是最小的行星，其质量也是木星的五倍。
在某些方面，HR 8799 类似于我们太阳系的放大版本，我们的太阳系也有四颗外巨行星，从木星延伸到海王星。然而，HR 8799 行星的巨大尺寸及其宽轨道让科学家们感到困惑。早期基于我们太阳系的模型表明，通过核心吸积形成的行星，在年轻的恒星驱散周围的气体盘之前，没有足够的时间增长到如此巨大。
韦伯空间望远镜光谱学揭示硫磺线索
为了更深入地探究，天文学家使用了光谱学，这是一种通过分析光来揭示遥远行星的化学成分和物理特性的技术。在韦伯空间望远镜之前，研究人员依赖地面望远镜来测量系外行星大气中的水分子和一氧化碳等分子。随着时间的推移，科学家们意识到，基于碳和氧的分子并非追踪行星形成过程的理想选择，因为它们的来源难以确定。
取而代之的是，该团队专注于更稳定的物质，即所谓的耐熔元素。这些元素，包括硫，以固态形式存在于行星形成所需的原行星盘中。在气态巨行星大气中探测到硫，强有力地表明其是通过核心吸积形成的。
“凭借其前所未有的灵敏度，韦伯空间望远镜使得对这些行星大气进行最详细的研究成为可能，为我们提供了它们形成途径的线索。通过探测到硫，我们能够推断出 HR 8799 行星很可能以类似于木星的方式形成，尽管其质量大五到十倍，这是出乎意料的，”加州大学圣地亚哥分校的研究科学家、论文的第一合著者让-巴蒂斯特·鲁菲奥表示。
HR 8799 相对年轻，大约有 3000 万年的历史（作为参考，我们的太阳系大约有 46 亿年的历史）。较年轻的行星仍保留着形成时的热量，使它们更亮，更容易用光谱学进行分析。
韦伯空间望远镜的高分辨率光谱仪使科学家能够检查系外行星的光，而不受地球大气中分子的干扰。天文学家首次在该系统三颗内层气态巨行星的大气中探测到几种先前未被发现的稀有分子的详细特征。
在遥远世界探测到硫化氢
提取这些信息具有挑战性。这些行星的亮度大约是其主恒星的 1/10000，而韦伯空间望远镜最初并非为此类极端对比度优化。鲁菲奥开发了新的数据分析技术来分离出行星微弱的信号。加州大学洛杉矶分校的 51 Pegasi b 研究员杰里·宣构建了复杂的大气模型，以与望远镜的光谱进行比较，并确定是否存在硫。
“韦伯空间望远镜数据的质量是革命性的，现有的大气模型网格完全不够用。为了充分捕捉数据告诉我们的信息，我迭代地改进了模型中的化学和物理过程，”他说。“最终，我们在这些行星中探测到了几种分子——其中一些是首次，包括硫化氢。”
在第三颗行星 HR 8799 c 上发现了清晰的硫信号，研究人员认为其他两颗内行星上很可能也存在硫。研究团队还发现，与它们的恒星相比，这些行星含有更大量的重元素，如碳和氧，这是它们作为行星而非类似褐矮星的天体形成的额外证据。
重新思考行星形成模型
“需要考虑的行星形成模型有很多。我认为这表明较老的核心吸积模型已经过时了，”加州大学圣地亚哥分校天文学和天体物理学教授、论文的另一位合著者奎因·科诺帕基表示。“而在较新的模型中，我们看到的是那些气态巨行星可以在距离其恒星非常遥远的地方形成固体核心的模型。”
到目前为止，HR 8799 仍然是唯一已知的、包含四颗巨大气态行星的、已被直接成像的系统。然而，其他系统已被发现带有一颗或两颗甚至更大的伴星，其起源仍不确定。
“我认为问题在于，行星能有多大？”鲁菲奥说道。“一颗行星的质量能达到木星的 15、20、30 倍，并且仍然像行星一样形成吗？行星形成和褐矮星形成之间的界限在哪里？”
研究人员继续探索这些问题，一次研究一个恒星系统。
部分作者名单：让-巴蒂斯特·鲁菲奥、伊芙·J·李和奎因·科诺帕基（均来自加州大学圣地亚哥分校）；杰里·W·宣（加州理工学院和加州大学洛杉矶分校）；迪米特里·莫韦、奥罗拉·凯塞利、查尔斯·贝克曼、杰弗里·布莱登和托马斯·P·格林（均来自加州理工学院）；以及亚亚蒂·查钱（加州大学圣克鲁兹分校）。完整作者名单见论文。
这项工作部分得到了美国国家航空航天局的支持（80NSSC25K7300 和 FINESST 奖学金奖励 80NSSC23K1434）。本工作中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者的观点，不一定反映美国国家航空航天局的观点。