詹姆斯·韦伯太空望远镜捕捉到行星形成的最后阶段

行星需要多少时间才能从恒星周围的气体和尘埃漩涡盘中形成？亚利桑那大学领导的一项新研究让科学家们对我们的太阳系是如何形成的有了更好的了解。科学家们认为，像太阳系这样的行星系统包含的岩石天体要多于富含气体的天体。在太阳周围，这些天体包括内行星--水星、金星、地球和火星--小行星带和柯伊伯带天体，如冥王星。

这幅艺术家的作品展示了位于半人马座（The Centaur）南部活动星系 NGC 3783 中心的超大质量黑洞的周围环境。利用欧洲南方天文台智利帕拉纳尔天文台的甚大望远镜干涉仪进行的新观测不仅揭示了黑洞周围的热尘埃环，还揭示了极区的冷物质风。图片来源：ESO/M. 科恩梅瑟

而木星、土星、天王星和海王星则主要含有气体。但科学家们很早就知道，行星形成盘一开始的气体质量是固体质量的 100 倍，这就引出了一个紧迫的问题： 大部分气体何时以及如何离开新生的行星系统？

揭开行星盘的秘密

亚利桑那大学月球与行星实验室的纳曼-巴加（Naman Bajaj）领导的一项发表在《天文杂志》上的新研究给出了答案。研究小组利用詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）获得了这样一个新生行星系--也被称为周星盘--的图像，这个行星系正在积极地将气体分散到周围空间。

亚利桑那大学月球与行星实验室的二年级博士生巴加说："知道气体何时散去非常重要，因为这能让我们更好地了解气态行星有多少时间来消耗周围环境中的气体。JWST可以帮助我们揭示行星是如何形成的。"

行星的形成过程

巴加表示，在行星系统形成的早期阶段，行星凝聚在年轻恒星周围的气体和微尘旋转盘中。这些微粒聚集在一起，形成越来越大的块状物，称为行星体。随着时间的推移，这些行星体碰撞并粘连在一起，最终形成行星。形成的行星的类型、大小和位置取决于可用物质的数量及其在星盘中停留的时间。因此，简而言之，行星形成的结果取决于星盘的演化和散布。

这一发现的核心是对 T Cha 星的观测，这是一颗年轻的恒星--相对于年龄约为 46 亿岁的太阳而言--被一个侵蚀的周星盘所包围，其显著特征是巨大的尘埃间隙，横跨约 30 个天文单位（或 au），1 au 是地球与太阳之间的平均距离。

巴加和他的研究小组首次拍摄到了盘风的图像，盘风是指气体缓慢离开行星形成盘时的图像。天文学家们利用了望远镜对原子发出的光的敏感性，当高能辐射（例如星光）将一个或多个电子从原子核中剥离时，原子就会发出光。这种现象被称为电离，电离过程中发出的光可以被用作一种化学"指纹"--在 T Cha 系统中，可以追踪到两种惰性气体--氖和氩。研究小组在论文中写道，这次观测也是首次在行星形成盘中探测到氩的双重电离。

Bajaj说："我们图像中的氖特征告诉我们，圆盘风来自远离圆盘的扩展区域。这些风的驱动力可能是高能光子--本质上是恒星发出的流光--或者是行星形成盘中穿梭的磁场"。

恒星影响和不断演变的星盘

为了区分这两种影响，由荷兰莱顿大学博士后研究员安德鲁-塞勒克（Andrew Sellek）领导的同一研究小组对恒星光子（即年轻恒星发出的强光）驱动的散布进行了模拟。他们将这些模拟结果与实际观测结果进行了比较，发现高能恒星光子的散布可以解释观测结果，因此不能排除这种可能性。该研究得出结论，每年从 T Cha 星盘散逸的气体量相当于地球上的月球。这些结果将发表在一篇配套论文中，目前正在《天文杂志》上进行审查。

虽然在许多其他天体中都探测到了霓虹信号，但直到2007年，LPL的教授伊拉利亚-帕斯库奇（Ilaria Pascucci）利用JWST的前身--NASA的斯皮策太空望远镜首次发现了霓虹信号，并很快将其确定为磁盘风的示踪剂之后，人们才知道霓虹信号起源于低质量行星形成的磁盘。这些早期发现改变了研究工作的重点，即了解周星盘的气体散布。帕斯库奇是最新观测项目的首席研究员，也是本文所报道的出版物的合著者之一。

帕斯库奇说："我们利用詹姆斯-韦伯太空望远镜发现了空间分辨氖发射，并首次探测到了双电离氩，这可能会成为改变我们对气体如何从行星形成盘中清除的理解的下一步。这些见解将帮助我们更好地了解太阳系的历史和对太阳系的影响。"

此外，该研究小组还发现，T Cha 的内盘正在以几十年的极短时间尺度演化；他们发现 JWST 观测到的光谱与 Spitzer 早期探测到的光谱不同。据领导这项正在进行的工作的LPL二年级博士生谢承彦（Chengyan Xie）说，这种不匹配可以用T Cha内部一个不对称的小圆盘来解释，在两次观测之间的短短17年里，这个圆盘失去了一些质量。

谢说："与其他研究一样，这也暗示着T Cha的圆盘正处于演化的末期。"我们也许能在有生之年见证T Cha内盘所有尘埃质量的消散。"

编译自/scitechdaily