窥探宇宙尘埃：詹姆斯-韦伯望远镜正在寻找新生行星

行星形成于被称为原行星盘的尘埃和气体盘中，它们在原恒星的最后组装过程中围绕着中心原恒星旋转。尽管已经对几十个这样的星盘进行了成像，但迄今为止，只有两颗行星在形成过程中被捕捉到。现在，天文学家们正将詹姆斯-韦伯太空望远镜上的强大仪器对准原行星盘，试图找到有关行星形成方式的早期线索，以及这些行星如何影响它们的星盘。

这幅艺术家的作品展示了一颗气态巨行星的形成过程，它嵌在一颗年轻恒星周围尘埃环中的尘埃和气体盘中。由密歇根大学天文学家加布里埃尔-库格诺（Gabriele Cugno）领导的密歇根大学的一项研究将詹姆斯-韦伯太空望远镜瞄准了一颗名为 SAO 206462 的原恒星周围的原行星盘，希望能发现一颗正在形成中的气态巨行星。

密歇根大学、亚利桑那大学和维多利亚大学领导的三项研究将JWST的图像与哈勃太空望远镜和智利阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）之前的观测结果相结合。在辅助观测的基础上，研究小组利用 JWST 观测了原行星盘 HL Tau、SAO 206462 和 MWC 758，希望能探测到任何可能正在形成的行星。

在发表于《天文杂志》（The Astronomical Journal）的这些论文中，研究人员拼凑出了行星形成盘与原行星盘中心年轻恒星周围的气体和尘埃包层之间以前从未见过的相互作用。

由麻省理工大学天文学家加布里埃尔-库格诺（Gabriele Cugno）领导的麻省理工大学研究将JWST瞄准了一颗名为SAO 206462的原恒星周围的盘。在那里，研究人员可能发现了一颗正在原行星盘中形成的候选行星--但这并不是他们期望发现的行星。

"一些模拟结果表明，这颗行星应该在圆盘内，质量大、体积大、温度高、亮度高。但我们没有发现它。这意味着，要么这颗行星比我们想象的要冷得多，要么它可能被某些物质遮挡住了，使我们无法看到它，"库格诺说，他也是这三篇论文的共同作者。"我们发现的是一颗不同的候选行星，但我们无法百分之百确定它是一颗行星，还是一颗模糊的背景恒星或星系污染了我们的图像。未来的观测将帮助我们准确了解我们所看到的是什么"。

天文学家过去曾对这个圆盘进行过观测，特别是哈勃太空望远镜、斯巴鲁望远镜、甚大望远镜和 ALMA。这些观测结果表明，圆盘由两个强螺旋组成，很可能是由一颗正在形成的行星发射的。马萨诸塞大学的研究小组预计发现的这颗行星属于气态巨行星，主要由氢和氦组成，类似于太阳系中的木星。

两只旋臂从SAO 206462周围富含气体的盘中伸出，SAO 206462是一颗位于豺狼座的年轻恒星。这幅由斯巴鲁望远镜及其 HiCIAO 仪器获取的图像首次显示了环星盘中的螺旋臂。图像追踪了恒星发出并散射在星盘表面的光线。星盘本身的直径约为140亿英里，约为太阳系中冥王星轨道的两倍。图片来源：NAOJ/Subaru

库格诺说："问题是，我们要探测的东西比恒星暗淡几十万倍，甚至几百万倍。这就像试图探测灯塔旁边的一个小灯泡一样。"

为了更近距离地观察这个圆盘，研究小组使用了 JWST 上的一个名为 NIRCam 的仪器。NIRCam可探测红外光，天文学家利用该仪器采用了一种称为角差分成像的技术。这种技术既可以用来探测行星的热辐射--就像研究小组探测候选行星那样，也可以用来探测与落到行星上并高速撞击行星表面的物质有关的特定发射线。

库格诺说："当物质落到行星上时，会在表面产生震动，并发出特定波长的发射线。我们使用一组窄带滤光片来探测这种吸积。以前曾在地面上用光学波长进行过这种探测，但这是第一次用 JWST 在红外波段进行探测。"

维多利亚大学的这篇论文由天文学学生卡姆林-穆林（Camryn Mullin）领导，描述了年轻恒星HL Tau周围的圆盘图像。

"HL Tau 是我们探测器中最年轻的系统，周围仍有密集的尘埃和气体流入星盘，"三项研究的共同作者穆林说："我们对利用 JWST 可以看到周围物质的详细程度感到惊讶，但不幸的是，这掩盖了潜在行星的任何信号。"

众所周知，HL Tau 的星盘上有几个太阳系规模的星环和缝隙，可能孕育着行星。

"虽然有大量证据表明行星正在形成，但HL Tau太年轻了，有太多的尘埃介入，无法直接看到行星，"寻找正在形成的行星的观测活动的主要研究者、亚利桑那大学斯图尔特天文台的天文学家Jarron Leisenring说。"我们已经开始观测其他有已知行星的年轻系统，以帮助形成更完整的图像。"

然而，令研究小组惊讶的是，JWST 揭示了一个不同特征的意想不到的细节：原恒星包膜，据莱森林称，它本质上是年轻恒星周围刚刚开始凝聚的尘埃和气体的密集流入。在引力的作用下，星际介质中的物质向内坠落到恒星和星盘上，成为行星及其前身的原材料。

由美国宇航局哈勃/萨根研究员凯文-瓦格纳（Kevin Wagner）领导的亚利桑那大学斯图尔特天文台的研究对MWC 758的原行星盘进行了检查。与 SAO 206462 类似，由亚利桑那大学领导的研究小组之前的观测也发现了在盘中形成的螺旋臂，暗示着有一颗大质量行星围绕着它的主恒星运行。

研究人员说，虽然在最近的观测中没有在圆盘中探测到新的行星，但这种灵敏度是开创性的，因为它使他们能够对可疑行星施加最严格的限制。首先，这些结果排除了在 MWC 758 的外部区域存在其他行星的可能性，这与一颗巨行星驱动旋臂的情况是一致的。

这三项研究的合著者瓦格纳说："在所有三个系统中都没有探测到行星，这告诉我们，造成缝隙和旋臂的行星要么离它们的宿主恒星太近，要么太暗，无法用JWST观测到。如果后者属实，那就告诉我们它们的质量相对较低、温度较低、被尘埃笼罩，或者是三者的某种组合--MWC 758很可能就是这种情况"。

捕捉正在形成中的行星非常重要，因为天文学家不仅可以收集到关于行星形成过程的信息，还可以收集到关于化学元素如何在整个行星系统中分布的信息。

"像太阳这样的恒星中，只有大约15%拥有像木星这样的行星。了解它们是如何形成和演化的，并完善我们的理论确实非常重要，"三项研究的共同作者、麻省理工大学天文学家迈克尔-迈耶（Michael Meyer）说。"一些天文学家认为，这些气态巨行星调节着向在星盘内部形成的岩质行星输送水的过程。

迈耶说，了解气态巨行星是如何塑造这些星盘的，将有助于天文学家最终了解原行星盘的性质和演化过程，这些原行星盘后来产生了岩质类地行星。

库格诺说："基本上，在我们以足够高的分辨率和灵敏度观测到的每一个星盘中，我们都能看到大型结构，如间隙、星环，在SAO 206462的情况下，还有螺旋状结构。这些结构中的大部分（如果不是全部的话）都可以用形成中的行星与磁盘物质相互作用来解释，但也存在其他不涉及巨行星存在的解释。"

如果我们最终能够看到这些行星，我们就能将其中的一些结构与正在形成的伴星联系起来，并将形成过程与其他系统在更晚阶段的特性联系起来。我们最终可以把这些点联系起来，了解行星和行星系统作为一个整体是如何演化的"。

编译来源：ScitechDaily