韦布望远镜在年轻恒星系统中确认了结晶水冰的存在

其他恒星系统中是否也散布着冻结的水？天文学家早就预测答案是肯定的，部分依据是此前探测到的水蒸气（即水的气态形式），以及水在我们太阳系中的广泛存在。

如今，这一猜测有了确凿证据：研究人员利用NASA詹姆斯·韦布空间望远镜获取的光谱数据，首次在距离地球155光年的一颗类太阳恒星周围的尘埃碎片盘中确认了结晶水冰的存在。（“水冰”这一术语明确指出其成分，因为宇宙中还存在许多其他类型的冰，例如二氧化碳冰，也被称为“干冰”。）早在2008年，NASA退役的斯皮策空间望远镜就曾暗示该系统中可能存在冻结的水。

“韦布不仅明确探测到了水冰，而且是结晶水冰，这类冰在土星的环和我们太阳系的柯伊伯带冰体中也有发现。”这项新研究的第一作者、约翰斯·霍普金斯大学的助理研究科学家谢辰（Chen Xie）说。

韦布探测到的所有水冰都与碎片盘中弥散的细小尘埃颗粒绑定在一起，就像极小的“脏雪球”。该研究成果已于周三发表在《自然》期刊上。

天文学家们已经等待这种确凿的数据几十年了。“25年前我还是研究生的时候，我的导师就说碎片盘中应该存在冰，但在韦布之前，我们没有灵敏度足够的仪器去观测这些东西。”论文合著者、位于巴尔的摩的太空望远镜科学研究所天文学家克里斯汀·陈（Christine Chen）表示。“最令人震撼的是，这些数据和韦布近期对太阳系柯伊伯带天体的观测结果非常相似。”

水冰是年轻恒星周围盘状结构中的重要组成成分——它深刻影响着巨型行星的形成过程，也可能通过彗星和小行星等小型天体“输送”到已经成形的类地行星上。如今，研究人员通过韦布确认了水冰的存在，这一发现为研究这些过程在其他行星系统中如何展开打开了新大门。

图片说明：恒星HD 181327周围的碎片盘（艺术家概念图）

这张插画展示了类太阳恒星HD 181327及其周围的碎片盘。恒星位于右上方，白色明亮，周围是模糊的蓝色晕圈。它被一个巨大的椭圆形碎片盘环绕，该盘在右侧被截断，在星体与盘之间有一个巨大的空腔。碎片盘以浅灰色呈现，上方和左侧是一些较细、分散的颗粒，底部则显得更朦胧、更像烟雾。背景是黑色太空。图左下角标注“艺术家概念图”。

韦布望远镜首次在围绕类太阳恒星的尘埃碎片盘中确认了结晶水冰的存在。这些冰全部与细小尘粒绑定在一起。大部分水冰出现在远离恒星、温度最低的区域，越靠近恒星的地方，水冰越少。

图片来源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

岩石、尘埃与冰的高速碰撞

这颗恒星HD 181327远比我们的太阳年轻，年龄估计为2300万年，而太阳已有46亿年历史。它的质量略高于太阳，温度也更高，因此形成了一个略大的行星系统。

韦布的观测结果确认了恒星与其碎片盘之间存在一个显著的空隙——一个几乎无尘的广阔区域。在外围，该碎片盘与我们太阳系的柯伊伯带相似——那里聚集着矮行星、彗星和其他冰与岩石混合的天体，这些天体有时还会彼此碰撞。数十亿年前，我们的柯伊伯带很可能也与HD 181327的碎片盘类似。

“HD 181327是一个非常活跃的系统。”谢辰表示，“其碎片盘中有持续不断的碰撞。当这些冰体相撞时，会释放出微小的尘埃状水冰颗粒，正好适合被韦布探测到。”

冻结的水——几乎无处不在

水冰在这个系统中并不是均匀分布的。绝大多数水冰集中在离恒星最远、最寒冷的区域。“碎片盘的外部区域中，水冰含量超过20%。”谢辰说。

越靠近恒星，检测到的水冰越少。在碎片盘的中间区域，韦布探测到了约8%的水冰，这里冰的生成速率可能略高于其被破坏的速度。而在最靠近恒星的区域，韦布几乎未探测到水冰。可能是恒星的紫外光将水冰蒸发了。也可能是被称为“行星胚”（planetesimals）的岩石天体将水冰“封存”在其内部，而韦布无法探测到它们。

这一研究团队以及其他许多天文学家将继续寻找和研究银河系中更多碎片盘及行星形成系统中的水冰。“水冰的存在有助于行星的形成，”谢辰指出，“而这些冰质材料也可能在几亿年内被‘运送’到最终形成的类地行星上。”

这项研究使用的是韦布望远镜的NIRSpec（近红外光谱仪），它对极其微弱的尘埃颗粒有极高的灵敏度，只有在太空中才能进行这样的观测。

参考

https://science.nasa.gov/missions/webb/another-first-nasa-webb-identifies-frozen-water-in-young-star-system/