JWST 首次在「溫帶氣體巨行星」TOI‑199b 大氣中確認甲烷

天文學家利用 NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST），在距離地球 330 多光年的系外行星 TOI‑199b 大氣中偵測到甲烷（CH₄）。這項觀測具有里程碑意義，因為像 TOI‑199b 這樣溫度較溫和的氣體巨行星，很少能被詳細分析其大氣化學組成。

研究團隊透過觀察行星從母恆星前方經過（凌日）時，恆星光在穿過行星大氣後產生的細微變化，成功辨識出甲烷的光譜特徵，讓科學家得以探索一類過去幾乎未被研究的行星大氣。

為什麼 TOI‑199b 特別

TOI‑199b 是一顆 半徑約為木星的 0.81 倍、質量約為木星的 0.17 倍 的氣體巨行星。它每 104.9 天 繞母恆星公轉一圈，軌道距離約 0.425 AU（天文單位）。這顆行星是在 2023 年透過 凌日法（transit method） 發現的：當行星經過恆星前方時，恆星亮度會出現微小下降。

真正讓 TOI‑199b 引起科學家興趣的是它的溫度。其平衡溫度約 350 K（約 170–180°F），屬於所謂的 「溫帶氣體巨行星」。

在系外行星研究中，大氣分析通常集中在兩種極端：

• 熱木星（Hot Jupiters）：非常靠近恆星、溫度極高的巨行星。
• 冷氣體巨行星：像太陽系的木星與土星，距離恆星很遠、溫度極低。

TOI‑199b 則位於這兩者之間。這種中等溫度的行星過去很難觀測，因此它成為測試行星大氣化學理論的重要樣本。

JWST 如何偵測到甲烷

研究團隊使用的技術稱為 透射光譜（transmission spectroscopy）。

當行星凌日時，一小部分恆星光會穿過行星大氣層才到達望遠鏡。不同分子會吸收特定波長的光，在光譜中留下獨特「指紋」。透過分析這些吸收特徵，科學家就能判斷大氣中含有哪些氣體。

在 TOI‑199b 的觀測中，科學家使用 JWST 的 NIRSpec 儀器（G395M 模式），並在 一次凌日事件 中取得資料。透過分析所得的 透射光譜，研究團隊辨識出被吸收的波長，進而推斷行星大氣的化學組成。

對光譜資料進行統計分析後，大氣模型顯示 甲烷存在的證據非常強，成為此次研究最明確的分子訊號。

大氣中還尋找了哪些氣體

除了甲烷，研究團隊也檢查了多種在氫主導氣體巨行星中常見的分子，包括：

• 水蒸氣（H₂O）
• 氨（NH₃）
• 氰化氫（HCN）
• 二氧化碳（CO₂）
• 一氧化碳（CO）

目前的觀測資料 最明確的訊號是甲烷。其他氣體雖然被納入模型測試，但在此次數據中並未被清楚確認。特別是 缺乏明顯的一氧化碳或二氧化碳特徵，反而有助於限制行星大氣的金屬豐度與化學組成。

為何這項發現重要

溫帶氣體巨行星在系外行星研究中一直是 相對缺乏資料的一類。由於它們距離恆星較遠、公轉周期較長，凌日事件發生頻率低，因此觀測難度比熱木星更高。

研究 TOI‑199b 能帶來幾個重要進展：

• 測試行星大氣化學模型 在較低溫環境下是否成立
• 了解 甲烷在富含氫的大氣中如何形成與維持
• 建立比較基準，連結炙熱系外行星與較冷巨行星之間的差異

這些結果顯示，JWST 不僅能研究最炙熱、最容易觀測的行星，也能分析 溫度較溫和的氣體巨行星大氣，為未來的系外行星研究打開新的觀測領域。

打開研究「溫帶巨行星」的新窗口

雖然 TOI‑199b 距離地球超過 330 光年，JWST 的高靈敏度仍能偵測其大氣中的分子訊號。

隨著更多溫帶氣體巨行星被觀測，天文學家將能比較不同世界的大氣化學特徵，進一步理解行星形成與演化的過程。TOI‑199b 因此成為一個重要的早期基準案例，證明即使是 較冷、軌道周期較長的系外行星，也能進行精細的大氣研究。