NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜发现支持了长期以来提出的行星形成过程
使用NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜的科学家刚刚在揭示行星是如何形成方面取得了突破性的发现。通过观察原行星盘上的水蒸气，韦伯证实了一个物理过程，即被冰覆盖的固体从原行星盘的外部区域漂流到岩石行星区。
长期以来，理论一直认为，在原行星盘寒冷的外部区域形成的冰卵石——与彗星起源于太阳系的区域相同——应该是行星形成的基本种子。这些理论的主要要求是，由于气态盘的摩擦，冰卵石应该向内漂移，向行星输送固体和水。
这一理论的一个基本预测是，当冰卵石进入“雪线”内的温暖区域时——在那里冰转变为蒸汽——它们应该释放出大量的冷水蒸汽。这正是韦伯所观察到的。
“韦伯最终揭示了内盘水蒸气和外盘冰卵石漂移之间的联系。”德克萨斯州圣马科斯的德克萨斯州立大学首席研究员安德里亚·班扎蒂说。“这一发现为韦伯研究岩石行星的形成开辟了令人兴奋的前景！”
“过去，我们对行星的形成有着非常静态的了解，就像行星是从这些孤立的区域形成的一样。”纽约州波基普西瓦萨学院的研究团队成员科莱特·萨利克解释说。“现在我们实际上有证据表明这些区域可以相互作用。这也可能发生在我们的太阳系中。”
图片：行星形成盘
艺术家的概念图：这幅艺术家的概念图比较了新生的类太阳恒星周围两种典型的行星形成盘。左边是一个致密的行星盘，右边是一个带间隙的扩展行星盘。科学家们最近使用韦伯望远镜研究了四个原行星盘——两个致密行星盘，两个扩展行星盘。研究人员设计了他们的观察结果，以测试致密的行星形成盘的内部区域是否比有间隙的扩展行星形成盘有更多的水。如果致密行星盘中被冰卵石更有效地漂移到离恒星更近的区域，并向刚刚形成的多岩石内行星输送大量固体和水，就会发生这种情况。目前的研究表明，大行星可能会导致压力环增加，而冰卵石往往会在那里聚集。当冰卵石漂移时，每当它们遇到压力增加时，它们往往会聚集在那里。这些压力陷阱不一定能阻止冰卵石漂移，但它们确实会阻碍冰卵石漂移。这似乎发生在带有环和间隙的大型行星盘中。这也可能是木星在我们太阳系中的作用——抑制冰卵石和水输送到我们内部相对缺水的小型岩石行星上。
影像来源：NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
研究人员使用韦伯的中红外仪器（MIRI）研究了四个围绕类太阳恒星的行星盘——两个致密行星盘，两个扩展行星盘。据估计，这四颗恒星的年龄都在200万年到300万年之间，在宇宙时间里只是新生儿。
这两个行星盘预计将经历有效的冰卵石漂移，将冰卵石运送到与海王星轨道相当的距离内。相比之下，扩展行星盘预计其冰卵石保留在多个环中，最远可达海王星轨道的6倍。
韦伯观测的目的是确定在致密圆行星盘的内部岩石行星区域是否有更高的水丰度，正如预期的那样，如果冰卵石漂移更有效，将大量的固体质量和水输送到内部行星。研究团队选择使用MIRI的MRS（中分辨率光谱仪），因为它对行星盘中的水蒸气很敏感。
结果证实了预期的结果，即在紧凑型行星盘中发现了比大行星盘更多的冷水。
图片：水资源丰富
发射光谱-水丰度：该图比较了GK-Tau致密行星盘（一个没有环的行星盘）和CI-Tau扩展行星盘（在不同的轨道上至少有三个环）中温水和冷水的光谱数据。该科学团队利用MIRI的MRS（中分辨率光谱仪）前所未有的分辨率将光谱分成不同的谱线，以探测不同温度的水。这些光谱，如上图所示，清楚地揭示了与CI-Tau扩展行星盘相比，GK-Tau致密行星盘中存在过多的冷水。底部图表显示了GK-Tau致密行星盘中多余的冷水数据减去CI-Tau扩展行星盘中的冷水数据。实际数据（紫色）覆盖在冷水的模型光谱上。请注意它们排列的有多紧密。
影像来源：NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
随着冰卵石的漂移，每当它们遇到压力冲击（压力增加）它们就会聚集在那里。这些压力陷阱不一定能阻止冰卵石漂移，但它们确实会阻碍冰卵石漂移。这似乎发生在带有环和间隙的大型行星盘中。
解开谜题
当数据首次出现时，研究团队对结果感到困惑。“两个月来，我们一直被这些初步结果所困扰，这些结果告诉我们，致密行星盘的水更冷，而扩展行星盘的水总体上更热。”班扎蒂回忆道。“这说不通，因为我们选择的是温度非常相似的恒星样本。”
只有当班扎蒂将来自致密行星盘的数据与来自扩展行星盘的数据叠加在一起时，答案才清晰地浮现出来：致密行星盘在雪线内部有额外的冷水，大约比海王星轨道近10倍。
“现在我们终于清楚地看到，是较冷的水过量了。”班扎蒂说。“这是前所未有的，完全归功于韦伯更高的分辨率！”
图片：冰卵石漂移
这张图是对韦伯的MIRI数据的解释，MIRI是中红外仪器，对行星盘中的水蒸气很敏感。它显示了行星盘中的冰卵石漂移和水含量与具有环和间隙的扩展行星盘之间的差异。在左边的行星盘中，当冰卵石向内漂移到更靠近恒星的温暖区域时，它们不受阻碍。当它们穿过雪线时，它们的冰变成了蒸汽，并提供了大量的水来丰富刚刚形成的岩石内行星。右边是一个带有环和间隙的扩展行星盘。当冰卵石开始向内旅行时，许多冰卵石被间隙阻挡并被困在环中。更少的冰卵石能够穿越雪线，将水输送到行星盘的内部区域。
影像来源：NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)
该团队的结果发表在11月8日出版的《天体物理学杂志快报》上。
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将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ESA和CSA领导的一项国际计划。
参考来源：
