詹姆斯·韦伯太空望远镜在岩石行星形成区探测到水蒸气

这幅艺术家的概念图描绘了恒星PDS 70及其内部的原行星盘。NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的新测量结果发现，在距离该恒星不到1亿英里的地方，即可能形成岩质类地行星的区域，存在水蒸气。这是首次在已知拥有两颗或两颗以上原行星盘的陆地区域探测到水，其中一颗显示在右上角。
影像来源：NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

众所周知，水对生命至关重要。然而，科学家们对水是如何到达地球，以及同样的过程是否可以孕育围绕遥远恒星运行的岩质系外行星展开了辩论。新的见解可能来自位于370光年之外的行星系统PDS 70。这颗恒星拥有一个由气体和尘埃组成的内盘和外盘，由50亿英里宽（80亿公里）的间隙隔开，在这个间隙内有两颗已知的气体巨行星。

NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜的MIRI（中红外仪器）进行的新测量发现，该系统的内盘距离恒星不到1亿英里（1.6亿公里），可能是岩质类地行星形成的区域发现了水蒸气。（地球的轨道距离太阳9,300万英里。）这是首次在已知拥有两颗或两颗以上原行星盘的陆地区域探测到水。

“我们在其他原行星盘中也看到过水，但没有那么近，也不是在一个行星正在聚集的系统中。”位于德国海德堡的马克斯·普朗克天文研究所（MPIA）的首席作者朱利亚·佩罗蒂说。“在韦伯之前，我们无法进行这种测量。”

“这一发现非常令人兴奋，因为它探索了岩质类地行星通常形成的区域。”MPIA主任托马斯·亨宁补充道，他是论文的合著者。亨宁是进行探测的韦伯MIRI（中红外仪器）的联合首席研究员，也是获取数据的MINDS （MIRI中红外圆盘调查）项目的首席研究员。

形成行星的潮湿环境

PDS 70是一颗K型恒星，比我们的太阳还要冷，估计有540万年的历史。就具有行星形成盘的恒星而言，它相对古老，这使得水蒸气的发现令人惊讶。

随着时间的推移，行星形成盘的气体和尘埃含量会下降。要么是中央恒星的辐射和风吹散了这些物质，要么是尘埃变成了更大的物体，最终形成行星。由于之前的研究未能在类似年龄的行星形成盘中心区域探测到水，天文学家怀疑它可能无法在严酷的恒星辐射下生存，从而导致岩质行星形成的干燥环境。

天文学家还没有发现任何行星在PDS 70的内盘内形成。然而，他们确实发现了以硅酸盐形式存在的建造岩石世界的原材料。水蒸气的探测意味着，如果岩质行星在那里形成，那么它们从一开始就有水可用。

“我们发现了相对大量的小尘埃颗粒。结合我们对水蒸气的探测，内盘是一个非常令人兴奋的地方。”荷兰内梅亨大学的合著者塞恩·沃特斯说。

韦伯的MIRI（中红外仪器）获得了PDS 70原行星盘的光谱，显示了大量来自水蒸气的发射谱线。科学家们确定，水存在于该系统的内盘，距离恒星不到1亿英里——这一区域可能是岩石类地行星形成的地方。从太空望远镜科学研究所下载全分辨率版本。
影像来源：NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI)

水的起源是什么？

这一发现提出了水从何而来的问题。MINDS团队考虑了两种不同的情况来解释他们的发现。

一种可能性是，水分子在我们探测到的地方形成，因为氢原子和氧原子结合。第二种可能是被冰覆盖的尘埃粒子从寒冷的外盘被运送到炎热的内盘，在那里水冰升华并变成蒸汽。这样的传输系统会让人感到惊讶，因为尘埃必须穿过两颗巨大行星形成的巨大间隙。

这一发现提出的另一个问题是，当恒星的紫外线分解任何水分子时，水是如何在离恒星如此近的地方存活下来。最有可能的是，周围的物质，如尘埃和其他水分子，起到了保护作用。因此，在PDS 70内盘检测到的水可以不被破坏。

最终，该团队将使用韦伯的另外两种仪器，NIRCam（近红外相机）和NIRSpec（近红外光谱仪）来研究PDS 70系统，以努力收集更多的信息。

这些观测是1282年保证时间观测计划的一部分。这一发现发表在《自然》杂志上。

詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学观测站。韦布正在解开我们太阳系中的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是由NASA及其合作伙伴欧空局和加拿大航天局领导的一个国际项目。

参考来源：
https://www.nasa.gov/feature/goddard/2023/webb-detects-water-vapor-in-rocky-planet-forming-zone