詹姆斯·韦伯太空望远镜的发现支持长期以来提出的行星形成过程

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这位艺术家的概念比较了新生的类太阳恒星周围两种典型的行星形成圆盘。左边是光盘，右边是有缺口的扩展盘。科学家利用韦伯最近研究了四个原行星盘——两个致密盘和两个扩展盘。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。如果致密盘中被冰覆盖的鹅卵石更有效地漂移到更靠近恒星的区域，将大量的固体和水送到刚刚形成的岩石内行星，这种情况就会发生。目前的研究表明，大型行星可能会导致压力增加的环，鹅卵石往往会聚集在那里。随着鹅卵石的漂移，每当它们遇到压力增加时，它们就会聚集在那里。这些压力陷阱不一定会关闭卵石漂移，但它们确实会阻止它。这似乎是在有环和间隙的大圆盘中发生的事情。这也可能是木星在我们太阳系中的一个角色——抑制鹅卵石和水输送到我们内部相对缺水的小岩石行星。鸣谢:美国航天局、欧空局、加空局、约瑟夫·奥姆斯特德

（）据太空望远镜科学研究所（安·詹金斯）：使用詹姆斯·韦伯太空望远镜的科学家们在揭示行星是如何形成的方面取得了突破性的发现。通过观察原行星盘中的水蒸气，韦伯证实了一种物理过程，这种过程涉及冰层覆盖的固体从盘的外部区域漂移到岩石行星带。

理论早就提出，在原行星盘寒冷的外部区域形成的冰卵石——彗星起源于我们太阳系的同一区域——应该是行星形成的基本种子。这些理论的主要要求是，由于气体盘中的摩擦，鹅卵石应该朝着恒星向内漂移，将固体和水送到行星上。

该理论的一个基本预测是，当冰冷的鹅卵石进入“雪线”内较温暖的区域时——在那里冰转化为蒸汽——它们应该释放出大量的冷水蒸汽。这正是韦伯观察到的。

“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！"

“在过去，我们对行星的形成有一个非常静态的图像，就像行星是从这些孤立的区域形成的一样，”来自纽约波基普西瓦萨学院的团队成员Colette Salyk解释道。“现在我们实际上有证据表明这些区域可以相互作用。这也是在我们的太阳系中发生的事情。”



这幅图是对韦伯的MIRI数据的解释，这是一种中红外仪器，对圆盘中的水汽很敏感。它显示了致密盘中卵石漂移和含水量与带有环和间隙的扩展盘之间的差异。在左侧的致密盘中，随着被冰覆盖的鹅卵石向内朝着更靠近恒星的温暖区域漂移，它们不受阻碍。当它们越过雪线时，它们的冰变成蒸汽，并提供大量的水来丰富刚刚形成的岩石内行星。右边是一个带有圆环和缺口的扩展圆盘。当被冰覆盖的鹅卵石开始它们向内的旅程时，许多被缝隙阻挡并被困在环中。越来越少的冰卵石能够越过雪线将水输送到冰盘的内部区域。鸣谢:美国航天局、欧空局、加空局、约瑟夫·奥姆斯特德

利用韦伯的力量

研究人员使用韦伯的MIRI(中红外仪器)研究了围绕类太阳恒星的四个圆盘——两个致密圆盘和两个扩展圆盘。据估计，这四颗恒星的年龄都在200万到300万年之间，只是宇宙时间中的新生儿。

这两个光盘预计将经历有效的卵石漂移，将卵石送到相当于海王星轨道距离内的井中。相比之下，扩展的圆盘预计会将它们的鹅卵石保留在多个环中，远至海王星轨道的六倍。

韦伯的观察旨在确定致密盘在其内部的岩石行星区域是否有更高的水丰度，正如预期的那样，如果卵石漂移更有效，并向内部行星输送大量固体物质和水。该小组选择使用MIRI的MRS(中分辨率光谱仪)，因为它对磁盘中的水蒸气很敏感。

结果证实了预期，揭示了与大型光盘相比，小型光盘中有过多的冷水。

随着鹅卵石的漂移，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会关闭卵石漂移，但它们确实会阻止它。这似乎是在有环和间隙的大圆盘中发生的事情。

目前的研究表明，大型行星可能会导致压力增加的环，鹅卵石往往会聚集在那里。这也可能是木星在我们太阳系中的一个角色——抑制鹅卵石和水输送到我们内部相对缺水的小岩石行星。



双层光谱图。上图比较了紧凑的GKτ盘和扩展的τ盘的温水和冷水的光谱数据。下图显示了紧凑的GKτ盘中的过量冷水数据减去扩展的τ盘中的冷水数据。鸣谢:美国航天局、欧空局、加空局、约瑟夫·奥姆斯特德

解开谜语

当数据首次出现时，研究小组对结果感到困惑。“两个月来，我们一直停留在这些初步结果上，这些结果告诉我们，致密盘的水更冷，而大盘的水总体上更热，”班扎蒂回忆道。"这毫无意义，因为我们选择了温度非常相似的恒星样本."

只有当Banzatti将来自光盘的数据叠加到来自大磁盘的数据上时，答案才清晰地出现:光盘在雪线内有额外的冷水，大约比海王星轨道近10倍。

“现在我们终于明白了，是越冷的水越多，”班扎蒂说。"这是前所未有的，完全归功于韦伯更高的分辨能力."

该小组的结果发表在《天体物理学杂志快报》上。