詹姆斯·韦伯望远镜揭示巨型行星的形成：一场与时间赛跑的宇宙竞赛

美国宇航局詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）对数十颗年轻类太阳恒星的观测显示，正在剥离行星形成盘中气体的力量，会随着恒星系统逐渐成熟而发生变化。

年轻恒星周围用于制造行星的气体正在持续消失。韦伯望远镜的新观测表明，这种气体流失并不会在行星系统早期演化的各个阶段以同样方式发生。相反，负责将物质带离系统的恒星风，似乎会随着系统年龄增长而改变。

这项由亚利桑那大学纳曼·巴贾伊领导、SETI研究所科学家乌玛·戈尔蒂参与完成的研究，分析了72颗年轻类太阳恒星周围的原行星盘。这是迄今规模最大的韦伯望远镜行星形成研究之一。研究发现，在原行星盘演化的不同阶段，不同的气体清除机制会分别占据主导地位。相关成果已发表于《天文杂志》。

戈尔蒂表示，令人兴奋的是，研究人员如今能够通过大规模年轻恒星样本观察到，清除行星形成盘中气体的机制如何随时间变化。原行星盘的消散为行星形成设定了一个基本时钟：一旦气体消失，形成富含气体的巨型行星的机会基本也就结束了。

如今的太阳系已经有约45亿年历史，其中大部分空间空旷无物。然而在太阳诞生后的最初几百万年里，年轻太阳周围曾环绕着一个致密的原行星盘，其中气体质量约为尘埃的100倍。最终，这些气体中的绝大部分消失了。

气体消失的速度至关重要，因为原行星盘中的气体是木星、土星等巨型行星形成的原材料。如果气体过早消散，这些行星可能来不及积累起规模庞大的大气层。

巴贾伊及其同事利用韦伯望远镜中红外仪器（MIRI）的存档观测数据，重建了原行星盘的演化过程。这72个恒星系统分别处于年轻行星系统发展的不同阶段。研究人员将它们综合起来，构成一条演化序列，从而追踪清除原行星盘气体的机制如何随年龄变化。

这项研究还检验了韦伯望远镜能够直接观测相关物质之前提出的理论预测。2020年，月球与行星实验室教授伊拉里娅·帕斯库奇作为论文第二作者并担任巴贾伊的导师，曾带领团队研究喷流和恒星风的演化。当时，由于韦伯望远镜尚未投入观测，研究人员还无法直接观测分子氢，但他们预测，年轻恒星系统中可能存在质量足够大的分子风，能够阻挡X射线光子。此次韦伯望远镜通过直接追踪分子氢，证实了这一预测。

研究人员重点分析了两种气体从原行星盘中逃逸的信号：分子氢和电离氖。分子氢是原行星盘中含量最丰富的分子。韦伯望远镜具备出色的灵敏度和空间分辨率，使研究人员能够将范围广泛的分子氢风，与由氖示踪的喷流和恒星风区分开来。

在最年轻的恒星系统中，物质仍在不断落向中心恒星。韦伯望远镜发现，这些系统存在强烈喷流和宽阔外流，其中同时包含分子气体和原子气体。它们的特征与由贯穿原行星盘的磁场驱动的恒星风相吻合。气体可以沿着磁力线向外运动，并在这一过程中带走质量和角动量。

随着恒星系统逐渐成熟，落向中心恒星的物质减少，喷流开始减弱，外流中原子气体所占的比例则越来越高。由于阻挡高能辐射的物质减少，年轻恒星释放的高能辐射能够更深入地穿透原行星盘，并将气体加热至足以逃逸的程度。这一过程被称为光蒸发。

戈尔蒂数十年来一直致力于研究原行星盘的演化及其气体流失过程，包括紫外线和X射线辐射在产生光蒸发风中的作用。韦伯望远镜如今通过对数十个年轻恒星系统的观测，将这项理论研究与实际测量结果联系起来。观测结果表明，随着原行星盘年龄增长，光蒸发的重要性不断上升，而由磁场驱动的喷流和恒星风则逐渐减弱。

观测显示，原行星盘的消散并不是由单一机制控制的。年轻行星系统似乎会经历这样的转变：早期主要由强大的磁场驱动喷流和恒星风主导，后期则逐渐转为以原子气体外流为主，其中包括光蒸发风。

这种主导机制的变化，决定了行星能够获得形成所需气体的时间长短。

巴贾伊表示，行星形成实际上是一场与时间赛跑的竞赛。像木星这样的气态巨行星，必须趁原行星盘仍然足够庞大、能够持续供应气体时，形成规模巨大的大气层；否则，恒星风和喷流就会把这些原材料带入太空。

在72个原行星盘中，有66个出现了范围广泛的分子氢和电离氖发射。研究人员在46个系统中探测到锥形分子氢风，在40个系统中发现了高速运动的氖喷流。所有存在氖喷流的原行星盘，都同时显示出由分子氢或氧气示踪的恒星风证据。

这项新分析建立在研究团队此前一次韦伯望远镜观测的基础上。2024年，巴贾伊、戈尔蒂及其同事拍摄到了一幅图像，显示年轻恒星T Cha周围的行星形成盘正在流失气体。

此前的研究证明，韦伯望远镜能够直接观测单个行星系统中的原行星盘消散过程。此次研究将这一方法扩展到数十颗年轻恒星，揭示了随着恒星系统成熟，喷流、分子风和原子风的相对重要性如何发生变化。

研究人员下一步希望确定这些恒星风在不同时间内究竟会带走多少气体，以及哪些原行星盘区域为外逃气体提供了物质来源。这些测量结果不仅有望揭示行星形成窗口关闭的速度，也可能帮助科学家确定，在可用气体消失之前，不同类型的行星究竟能够在原行星盘的哪些区域形成。