韦布揭示行星毁灭性的碰撞

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作者：NASA

翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：张莹

后台：朱宸宇

https://phys.org/news/2026-10-webb-planet-shattering-collisions.html

年轻恒星系统内部的碰撞类型中有一类叫做“极端碎屑盘”（extreme debris disks），它和我们对太阳系的理解相关，科学家认为，我们的太阳系也经历过类似的碰撞事件，从而创造了月球、并塑造了地球的初态（initial state）。

科学家认为，在太阳系形成的早期，一个名为忒伊亚（Theia）、大小和火星类似的天体撞上了婴儿时期的地球，使大量岩石汽化并被猛烈地抛入太空。其中一部分物质重新聚集形成了月球，NASA的阿耳忒弥斯计划正准备让人类重新上去，为去火星以及塑造未来的太空探索铺路。

这场发生在遥远过去的猛烈碰撞改变了我们的地球。天文学家利用韦布空间望远镜，研究了一类显示出类似剧烈变化迹象的年轻恒星系统，从而获得了有关这些碰撞能量大小的线索。这些结果有助于我们了解这些混乱系统的组成和演化。

✦尘埃标志着动荡的行星形成阶段

恒星周围的环境会随着恒星年龄增长而发生变化。最初，恒星周围是一个富气（gas-rich）的年轻原行星盘，正在形成的行星可以在其中形成；随后，它会演变成一个贫气（gas-poor）的碎屑盘。已经退役的NASA斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）在其运行期间研究了碎屑盘阶段，并发现了其中一个被称为“极端碎屑盘”（extreme debris disk）的亚类。这些系统在靠近恒星的区域聚集了异常大量的温暖尘埃，而这一地区与我们太阳系中岩质行星的轨道区域相当。

由美国科罗拉多州博尔德市空间科学研究所的凯特·苏（Kate Su）领导的一组天文学家利用韦布研究了这些引人关注的天体。

通过研究极端碎屑盘的组成，科学家推断富含二氧化硅的碎屑盘是由火星大小的天体之间的高能量碰撞产生的，而二氧化硅含量较低的碎屑盘则来自月球大小的天体之间能量较低的碰撞。

图片来源：Illustration: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted（STScI）

✦一个罕见阶段逐渐清晰

与理论预测相反，理论上我们应该能够观测到许多极端碎屑盘，但实际观测表明这种环境十分罕见。根据目前收集到的数据，科学家估计大概只有1%的年轻恒星显示出这一阶段可观测的特征。太阳系在形成过程中也可能经历过这一阶段。尽管极端碎屑盘很罕见，研究团队还是收集到了21个极端碎屑盘的样本，其中5个来自斯皮策的老数据，16个来自韦布，包括 12个新观测到的碎屑盘，以及对斯皮策发现的其中4个进行的后续观测。

“这是我们第一次收集到足够多的系统，能够真正理解这个被我们称为‘极端碎屑盘’的亚类。”论文的第一作者凯特·苏说：“在韦布之前，我们掌握的信息非常有限。我们知道它们很奇怪，与我们熟悉的典型冷碎屑盘如织女星和北落师门周围的碎屑盘非常不同。现在有了更多数据，我们可以确定这些碎屑盘对于行星的形成和演化意味着什么。”

研究团队确认，极端碎屑盘具有三个关键特征：其中的尘埃颗粒比原行星盘或典型碎屑盘中的尘埃颗粒更小；温暖尘埃的浓度很高；亮度存在不规则变化。这些特征都可以通过韦布和斯皮策获得的中红外光谱观察到。

✦矿物揭示碰撞规模

为了确定造成这些特征的原因，研究团队研究了这些碎屑盘的矿物组成。他们发现，样本可以分为富含二氧化硅的和二氧化硅含量较低的两类。地球上的火山玻璃如黑曜石就是富含二氧化硅的物质；而二氧化硅含量较低的矿物镁橄榄石则在夏威夷的一些海滩上以绿色沙粒的形式出现。一个极端碎屑盘属于哪一类可以提供有关产生这些撞击碎片的碰撞类型的信息，也可能有助于解释其红外亮度为什么会发生变化。

“仅仅是看到它们的中红外辐射以及韦布观测到的美丽光谱特征，并由此确定它们的组成，对我来说就是最令人兴奋的事情。”论文合著者之一、匈牙利布达佩斯科农伊天文台的阿格妮丝·科斯帕尔（Kóspál Ágnes）说。“我们没有其他办法直接研究这些行星胚胎，因为它们太小了。”

研究团队的样本中，大约三分之一属于富含二氧化硅的碎屑盘。这表明，这些碎屑盘是由火星大小天体之间的高能量碰撞产生的，其中相当一部分物质发生了汽化。剩下约三分之二的样本属于二氧化硅含量较低的碎屑盘，这说明其中发生的是规模更小的碰撞，例如月球大小天体之间的擦碰式碰撞。富含二氧化硅的碎屑盘只出现在年龄小于3亿年的恒星周围，而二氧化硅含量较低的碎屑盘则可以存在于年龄范围很广的恒星周围，而且通常表现出更明显的亮度变化。研究团队提出，这种亮度变化是由新产生的碎片快速演化所驱动的，包括碎片轨道发生变化以及随后发生的更多碰撞。

✦太阳系历史的回响

这些发现也可以应用于太阳系，因为太阳系在形成过程中可能经历过不止一个极端碎屑盘阶段。

“岩质行星是如何形成的，以及巨行星是如何演化的，都是太阳系形成这一更大故事的一部分。这其实是同一个故事。”凯特·苏说。“我们对极端碎屑盘的研究帮助我们把目前所理解的这些内容拼成一幅完整的图景。”

模拟结果表明，地球这样的类地行星应该在太阳系形成后的最初几亿年内形成。这一时期与目前观测到的富含二氧化硅的极端碎屑盘的年龄相符，也与一种估计相吻合：地球和月球大约形成于太阳诞生后1亿年，而月球很可能就是地球与一个火星大小的天体碰撞的结果。

至于我们的太阳是否经历过二氧化硅含量较低的极端碎屑盘阶段，如果那些年龄较大的二氧化硅含量较低的碎屑盘，以及它们在红外亮度上的随机变化，确实反映了轨道不稳定，那么这将与太阳系的“晚期重轰炸”（Late Heavy Bombardment）假说大体一致。按照这一情景，气态巨行星发生了大幅度的轨道迁移，通过引力扰乱较小天体的轨道，并引发灾难性的碰撞，从而产生了极端碎屑盘中所观测到的、短暂而富含尘埃的阶段。

“当然，对于这些碎屑盘，我们仍然有很多不了解的地方。”论文合著者之一、匈牙利科农伊天文台的阿提拉·莫尔（Moor Attila）说。“我们预计，在年龄更大的极端碎屑盘中不会发现富含二氧化硅的系统。目前我们的样本中只有3个碎屑盘符合这一年龄条件，因此，如果能够观测到更多这样的系统来验证我们的假说，那就太好了。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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超新星残骸Pa 30
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