韦布望远镜正在挖掘气态行星背后的奥秘

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫专栏

周三 · 风月同天|周四 · 观测指南

周五 · 深空探测|周六 · 茶余星话|周日 · 天象预报

原作：Monisha Ravisetti

翻译：张家媛

美编：陈玮菁

后台：李子琦

原文链接：https://www.space.com/james-webb-space-telescope-mind-bending-mysteries-gas-planets

木星巨大而半明半暗，其卫星木卫一在前景中，要小得多。(图片来源：NASA/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所/戈达德太空飞行中心）

可以说太阳系最令人迷惑的一方面就是，并非所有行星都像地球那样是一个完美的固态行星。其中一些行星可以说是完完全全由气体构成。你没法站在木星上的任何一个地方，除非一路穿过它的大气层，并在抵达这橙色条纹行星中“潜在的岩石核“前，承受住那大到难以想象的压力。而这显然不现实。

就连科幻游戏创作者有时也挣扎于如何描绘穿越这些气态行星的场景。当我在Xbox游戏《星空》里面获得些自由领域时，我做的第一件事情便是将我的飞船降落在模拟的海王星上，就是为了看看会发生什么，不过游戏是不会允许这样做的。不用说，气态巨星的奥秘对科学家们也是极为有趣的一件事，并且在如今有了詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）十分强大的红外线眼后，科学家们便利用起这一空间望远镜开始研究那些奥秘。

就在上周，一支团队宣布，多亏了JWST，气态巨星形成的研究有了新的动态。研究者们表示，在回答气态巨行星可能需要多长时间才能赶在这些恒星周围的气体消失之前形成的这个问题上，他们迈出了巨大的一步。

此团队通过JWST探测了一个被称作“盘风”的东西。这里指的并不是你可能会想象的“风”。相反，它表示了气体离开一颗恒星旁的圆盘这一过程。这个“圆盘”则充满了不同种类的物质，是行星的诞生之地，因此它也叫“原行星盘”。

“我们知道它们存在，并且在圆盘演化中扮演着重要的角色，”Naman Bajaj，盘风的主要研究者，也是亚利桑那大学月球和行星科学实验室的科学家这样说道。“而我们不知道的是它隐含的物理特性以及这过程中失去了多少质量。这些都是回答盘风的影响究竟有多大的关键。

需要指明的一点是，像这样的圆盘同样也会包含非气态的残骸，比如尘埃随着时间推移慢慢积攒会构成新的固态行星，而这其实正是过去所认为的地球形成的原因。

“从名称上来看，我只能推测这是由于其‘缓慢’的速度，”Bajaj说。他解释道，团队所研究的盘风貌似在以10到15千米（6到9英里）每秒的速度移动。另一方面，那些快速移动的气体通常则被称作“喷流”。这些喷流的速度能高达100千米（62英里）每秒。

尽管Bajaj和他的同事们并没有给出一个严格确认的最答案，即在原行星盘气体完全耗尽之前，气态行星可能需要多长时间才能形成，但他确实根据自己的计算给出了一个大致的答案。他估计:“考虑到这个圆盘上的气体质量，并假设气体将以我们发现的恒定速率(每年大约一个月球质量)继续离开，大约需要10万年。”

确实，这听起来时间似乎很长。但正如Bajaj强调的那样，从天文学的角度来看，这其实是一个非常短的时间尺度:“一个原行星盘的寿命大约本该是500万到1000万年。”

如何在太空中确认行星盘？

要想处理盘风的运动，第一步便是先去找到盘风从哪里产生，而要想知道盘风来自于哪里，那必然得找到一个原行星盘。

但这种分析对太阳系没用，因为我们所有的行星都是完整的——包括气态行星。因此，研究团队的盘风目标最终与一颗年轻的低质量恒星T Cha周围的盘有关。老实说，这颗恒星本身就非常有趣。这个闪闪发光的天体距离地球约350光年，它的圆盘上有一个很大的尘埃间隙。这个尘埃间隙就像它的名字一样。Bajaj说:“我们认为这些间隙是由行星在绕恒星运行时消耗掉沿途的所有物质而产生的。”

因此，这些间隙表明，这颗恒星周围确实有正在萌芽的行星，而且它的年龄足够大到这些新生的行星有时间吞噬掉一些圆盘本身。“我们也称这为过渡阶段，”Bajaj说。“它正在从一个原行星盘过渡到一个更像太阳系的结构。”此外，Bajaj解释说，之前的地面观测表明，圆盘中有氖气，这基本上标志着圆盘中的气体是如何慢慢流出的。稍后会详细介绍。

这样一来我们就有了一个很好的圆盘研究对象。下一步是开始做一些观察，看看T Cha周围发生了什么。是时候来追踪一些氖气了。

T Cha 周围区域的可见光宽视场图像，由通过红色和蓝色滤光片拍摄的照片制作而成，是数字化巡天2的一部分（图片来源：ESO 和数字化巡天2）。鸣谢：Davide De Martin Davide De Martin)

气体的惰性

氖是一种惰性气体，它是一类由外层电子壳层或价壳层完全填满的原子所代表的元素。简单地说，因为价电子层的特性，这些气体非常不活泼。然而，如果暴露在足够高的温度下，它们仍然有可能失去其中一个外层电子。如果发生这种情况，气体就会被“电离”或带电。

因为电子带负电荷，失去一个电子会使原本中性的原子带更多的正电。得到一个额外的电子同样会使一个之前中性的原子带更多的负电。但是，对于天文学家来说，重要的是，当宇宙中以这种方式发生电离时，会留下一个可以被他们的设备跟踪的信号，包括詹姆斯·韦布太空望远镜。

而且，正如Bajaj解释的那样，氖气的这一信号对于盘风的跟踪来说尤其特别。

首先，一些气体更有可能存在于原行星盘中。较轻的氖气就是其中之一。“对于较重的惰性气体，它们的丰度非常低，所以我们不会看到它们，”Bajaj解释说。第二，不同元素的电离过程不同。有时候需要很高的温度才能把电子从原子中踢出; 其他时候，电子则更愿意在较低的温度下离开。Bajaj说:“氦比这些惰性气体都要丰富得多，它电离的温度要求要高得多。”

然而，另一方面，氖在更温和的温度要求下会释放出一个电子——这就是为什么研究小组专门寻找氖发射线来观察T Cha原行星盘中的气体是如何演变的。他们发现了两条。

“当我们第一次看到光谱的时候——那是我读研究生的第一周——我们看到两条氖气谱线都非常耀眼！”Bajaj说，并补充道，其中一条谱线实际上从未在T Cha附近出现过。“通过JWST的观察，我们发现这一氖气来自离恒星更远的地方。我花了好几个月的时间试图从图像中弄清楚我们是否可以看到氖的发射结构；这非常困难，”Bajaj说，他花了大约8个月的时间，才从JWST的图像中确认该结构确实存在。

但这还不是全部。

这幅艺术家绘制的插图描绘了离开新生行星形成盘的气体可能的样子。(图片来源：ESO/M. Kornmesser）

Bajaj说，除了氖谱线，研究团队还发现了一条非常强的氩谱线。虽然以前在一些原行星盘中也曾看到过这样的氩线，但从来没有任何一条氩谱线表现得如此强烈。

还有另一个惊喜。

“我们一直认为我们有两条氖发射线和一条氩发射线，但有一天我在检查光谱时发现我们有另一条氩发射线。”“它比其他所有的都弱得多，所以我们错过了很长一段时间。”

“我们意识到这是我们第一次在任何原行星盘中看到这条线!”他补充道。“一些高级研究人员认为这是不可能做到的，但经过几个月更严格的测试，我们证实我们做到了。”

这些发现将带我们走向哪里？

Bajaj重申的一个主要观点是，在进一步了解气体行星令人费解的本质这一宏大征程上，该团队的新结果确实是一小步，尽管至关重要。这些奇怪的气体球体从何而来?他们的结构似乎很难对付。

这项新研究不仅加强了此前在这一领域进行的许多观察(事实上，其中一些观察是由Bajaj的合著者领导的)，还为未来一系列引人入胜的研究打开了大门。例如，有了这些盘风的细节，该研究的合著者、荷兰莱顿大学的博士后研究员安德鲁·塞莱克(Andrew Sellek)随后撰写了一篇论文，概述了盘风过程是由一种叫做光蒸发的东西驱动的模拟。

冒着过于简单化的风险，光蒸发在这种情况下指的是恒星的能量加热其周围圆盘中的气体，然后迫使气体分散到太空中。“很像地球上的水是如何蒸发的，”Bajaj说。Sellek的论文最近被《天文学杂志》接收并发表。

好吧，在这一点上，我可能要沉思一小会儿，但在深入了解了盘风的空气动力学之后，我不禁想到这个对象是多么令人满意。

例如，由于气体离开原行星盘，一旦气体消失，能够形成的也只有岩石行星。还有一种情况是，这些气态世界，尤其是气态巨星，更有可能出现在行星系统的外部区域。在原行星盘的外部区域往往有更多的一般质量，因此导致质量更大的行星整体都靠外——这将包括类似木星的气态巨行星。此外，宿主星自己在这件事上也可能起到决定的作用。

“非常靠近恒星的岩石行星将很少或没有大气层(像水星一样)，因为它将被太阳的高能光子剥离——类似于光致蒸发，”Bajaj说。“对于气态巨行星来说，如果它们恰好在恒星附近形成，它们就有可能在气体和太阳能量之间找到平衡。”

最后，虽然在这一点上说这是陈词滥调，但所有这些都证明了詹姆斯·韦布太空望远镜在多大程度上改变了我们对宇宙的理解。它的红外灵敏度无疑是巨大的，但它的许多发现都要归功于已有的工作——毕竟最终还是那些论文库帮助了科学家们确定JWST应该向太空深处的哪里望去。

责任编辑：陈玮菁

牧夫新媒体编辑部

谢谢阅读

『天文湿刻』 牧夫出品

微信公众号：astronomycn

马卡良星系链中的眼睛

Image Credit & Copyright: Mike Selby