320光年外发现一颗行星，证实了科学家长期以来的猜测

WASP-189b 位于天秤座，距离地球约320光年，属于一类极端的系外行星，称为超高温木星（UHJ）。这类巨大行星的温度高到足以使通常存在于岩石中的物质变成气体，因此镁（Mg）、硅（Si）、铁（Fe）等元素可以在它们的大气中被探测到。天文学家通过光谱法识别这些物质；光谱法把光分解成不同波长，从而揭示其中存在的化学成分。

由亚利桑那州立大学（ASU）研究生Jorge Antonio Sanchez领导的国际研究团队，利用高分辨率浸没光栅近红外光谱仪（IGRINS）研究了WASP-189b。当时，这台仪器安装在智利的Gemini South望远镜上。

研究人员首次能够在太阳系外一颗行星的大气中同时测量镁和硅。他们的观测显示，WASP-189b上镁与硅的比例与其主星中的比例非常接近。这一结果首次为关于恒星与行星之间化学关系的广泛使用假设提供了直接观测支持，也为研究行星起源和演化提供了有价值的新途径。

NOIRLab的NSF项目主任Chris Davis表示：“这些发现展现了Gemini望远镜帮助我们理解太阳近邻中奇妙系外行星动物园的能力。这样的发现只有在Gemini拥有前沿仪器时才能实现。”

长期以来，天文学家认为类似WASP-189b的巨大行星形成于年轻恒星周围巨大的气体和尘埃盘中。这些原行星盘提供了行星发育所需的原材料。巨行星外层大气的化学组成被认为保留了它最初形成环境的线索。

由于恒星和它们周围的盘来自同一团物质，科学家长期假设它们含有相似比例的岩石形成元素。特别是，盘中这些元素的比例预计应与中心恒星中测得的比例相近。

这一关系已经成为预测岩石系外行星成分的重要工具。但此前，这一假设主要依靠太阳系自身的证据支撑。天文学家还没有直接测量另一颗恒星周围行星上的同类关系。

WASP-189b的相关发现补上了这一缺失的观测证据，加强了用恒星化学理解遥远行星形成材料的科学基础。

Sanchez说：“WASP-189b为我们理解类地行星形成提供了一个迫切需要的观测锚点，因为它给出了一个可测量量，证明恒星组成与宿主星周围岩石材料比例的预期相似性是成立的。”

这一影响不止于理解行星如何组装。这种化学关系对天体生物学也很重要，它研究地球之外生命存在的可能性，以及可能支持生命的条件，包括我们太阳系内的宜居环境。

通过研究恒星中存在哪些元素，天文学家或许能够估计其行星可利用的岩石形成材料的相对比例。这些材料会影响行星内部结构、地质活动和化学环境，进而影响适合生命发展的条件是否出现。

地球是一个熟悉例子。组成地球的要素有助于决定板块构造、保护性磁场的产生、以及重要化学物质进入大气、海洋和土壤的过程。这些过程共同塑造了适合生命繁荣的环境。

随着研究者努力更详细地研究较小的岩石系外行星，建立恒星化学与行星组成之间可靠联系越来越重要。WASP-189b的研究为此方向提供了重要一步。

获取这些测量需要能够分辨遥远行星大气光线中极精细细节的仪器。研究者表示，这类分析所需的光谱分辨率目前只有地面望远镜能够提供。

研究合作者、ASU副教授Michael Line说：“我们的研究证明了地面高分辨率光谱仪约束关键元素的能力，例如镁和硅，这两种元素是岩石行星形成的基本构件。这种能力提升为我们研究系外行星大气开启了一个全新维度。”

团队预计，未来利用多个波长和类似高精度仪器的观测，将在系外行星大气中揭示更广泛元素。构建更完整化学组成图景，可能提供更多关于行星如何形成、如何随时间变化、以及哪些条件有利于宜居的线索。

通过将遥远行星的化学与其恒星的化学联系起来，天文学家现在有了新的证据，支持一项可能帮助指引银河系内潜在宜居世界搜寻的原则。

补充说明：IGRINS曾于2022年至2023年作为临时仪器在Gemini South运行，之后返回其所属机构。其成功表现促成了更新版本IGRINS-2的开发，后来该仪器被安装为夏威夷Gemini North望远镜的永久设施仪器。