詹姆斯·韦伯太空望远镜加入寻找新生系外行星的行列

独孤一山隙

艺术家绘制的围绕一颗婴儿恒星形成的气态巨行星的插图。（图片来源：ESO/L.Cal?ada）

（）据美国太空网（Robert Lea）：天文学家正在使用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）寻找在婴儿恒星周围形成的行星。强大的太空望远镜很快就交付了货物，尽管方式出乎意料。

这些新生行星形成于被称为原行星盘的气体和尘埃漩涡中，在形成过程中聚集了更多的质量。人类已经对其中许多原行星盘中进行了成像，但迄今为止，天文学家只见过其中几次正在形成的行星。

现在，由密歇根大学、亚利桑那大学和维多利亚大学的科学家领导的一个团队将JWST的灵敏红外仪器的力量添加到了这一探索中。该团队使用大范围观测了原行星盘HL Tau、SAO 206462和MWC 758，并将观测结果添加到哈勃太空望远镜和阿塔卡马大型毫米阵列（ALMA）收集的数据中，希望能发现一颗行星正在形成。

这项调查还揭示了原行星盘和气体包层之间迄今为止从未见过的相互作用，这些气体包层更靠近位于这些盘中心的恒星。

团队成员、密歇根大学天文学家Gabriele Cugno在一份声明中表示：“基本上，在我们以足够高的分辨率和灵敏度观测到的每一个圆盘中，我们都看到了巨大的结构，如间隙、环，在SAO 206462的情况下，还有螺旋。”。“这些结构中的大多数（如果不是全部的话）可以通过形成行星与盘状物质相互作用来解释，但也存在其他不涉及巨行星存在的解释。

“如果我们最终能够看到这些行星，我们可以将一些结构与形成的同伴联系起来，并在更晚的阶段将形成过程与其他系统的性质联系起来。我们最终可以将这些点联系起来，了解行星和行星系统是如何整体进化的。”

发现一颗意想不到的行星

Cugno领导了JWST对原恒星SAO206462周围原行星盘的调查。原恒星是一种尚未积累足够质量以触发核心氢与氦融合的恒星体，这一过程定义了像太阳这样成熟的主序星。

在SAO 206462周围的原行星盘中，研究小组发现了一颗正在形成的行星的信号，但有一个转折：这不是他们期望看到的行星。

Cugno继续说道：“几次模拟表明，这颗行星应该在圆盘内，质量大、体积大、温度高、亮度高。但我们没有发现它。这意味着，要么这颗行星比我们想象的要冷得多，要么它可能被一些物质遮挡，使我们无法看到它。”。“我们发现的是一颗不同的候选行星，但我们无法100%确定这是一颗行星，还是一颗微弱的背景恒星或星系污染了我们的图像。

“未来的观察将帮助我们准确地了解我们正在观察的内容。”



围绕婴儿恒星SAO 206462的原行星盘中的螺旋臂。（图片来源：NAOJ/斯巴鲁）

这不是SAO 206462的磁盘第一次成为焦点。哈勃、阿尔玛和超大望远镜（VLT）都研究过这个原行星盘，这些观测结果表明它由两个强大的螺旋组成。

这些螺旋很可能是由一颗正在形成的行星形成的。然而，在用JWST寻找这颗行星之前，该团队曾预计会看到一颗主要由氦组成的气态巨行星，如土星或木星。

Cugno说：“问题是，无论我们试图探测到什么，都比恒星暗数十万倍，甚至数百万倍。”。“这就像试图探测灯塔旁边的一个小灯泡。”

JWST的近红外相机（NIRCam）使Cugno和同事能够更深入地研究SAO 206462的圆盘，并探测来自该行星的热能，其中一些热能是在物质高速下落时释放的。

Cugno说：“当物质落到行星上时，它会在表面发生冲击，并发出特定波长的发射线。”。“我们使用一组窄带滤波器来尝试检测这种吸积。这以前在地面上以光学波长进行过，但这是JWST首次在红外中进行。”

这表明一颗行星与中心原恒星的距离大约是地球和太阳距离的300倍。气态巨星通常比这更靠近恒星，一些气态巨星在原行星盘消散后向外迁移。

NIRCam的结果排除了星盘中质量大于木星2.2倍的物体，Cugno及其同事得出结论，如果有一颗气态巨星雕刻出SAO 206462原行星盘的整齐螺旋，那么它一定非常冷。

最年轻的恒星拥有适合行星形成的物质

当Cugno和同事们观察SAO 206462周围的圆盘时，维多利亚大学的研究人员Camryn Mullin使用JWST研究了恒星HL Tauri（HL Tau）。这是一个距离地球约450光年的婴儿，许多望远镜也对其进行了研究。

HL Tau的年龄估计不超过100万年（与我们46亿年前的中年太阳相比），是JWST原行星盘研究中最年轻的恒星。

Mullin说：“HL Tau是我们调查中最年轻的系统，仍然被落在圆盘上的大量灰尘和气体包围。”。“我们对JWST能够看到这种周围物质的细节水平感到惊讶，但不幸的是，它掩盖了来自潜在行星的任何信号。”

众所周知，HL Tau的圆盘具有许多间隙和太阳系大小的环，这些环可能是行星的宿主。然而，由于星盘充满了灰尘，而且系统还很年轻，即使是JWST也不太可能直接看到HL Tau周围的行星。



HL Tauri周围尘埃盘的ALMA图像。（图片来源：ALMA（ESO/NAOJ/NRAO））

该团队能够用JWST分辨出一种被称为原恒星包络的特征。这代表了在HL Tau周围开始聚结的灰尘和气体的密集流入。这些原材料从恒星之间存在的星际介质、气体和尘埃流向恒星及其圆盘，最终将成为诞生行星的原材料。

寻找正在形成的行星的工作还在继续！

亚利桑那大学史都华天文台的NASA哈勃/萨根研究员Kevin Wagner用JWST检查了MWC 758的原行星盘。这是另一个具有旋臂的原行星盘，可能表明存在一颗大质量行星。

这颗可能的行星和其他任何行星都没有在团队的研究中体现出来，但JWST的灵敏度和威力确实使他们能够限制原行星盘内任何潜在的形成行星。这包括排除了在远离MWC 758恒星的圆盘外围有行星的可能性。

Wagner说：“在所有三个系统中都没有检测到行星，这告诉我们，造成间隙和旋臂的行星要么离宿主恒星太近，要么太微弱，无法用JWST看到。”。“如果后者是真的，它告诉我们，它们的质量相对较低，温度较低，被灰尘包裹，或者是这三者的某种组合——就像MWC 758中的情况一样。”



MWC 758周围行星形成盘的图像。（图片来源：ESO/A.Garufi等人；R.Dong等人；ALMA（ESO/NAOJ/NRAO））

研究人员表示，对年轻恒星周围行星形成的研究对于了解材料如何在年轻系统中分布以及像太阳系这样的成熟集合是如何形成的至关重要。

团队成员、密歇根大学天文学家迈克尔·迈耶说：“只有大约15%的像太阳这样的恒星有像木星这样的行星。了解它们是如何形成和演化的，并完善我们的理论，这真的很重要。”。“一些天文学家认为，这些气态巨行星调节着水向圆盘内部形成的岩石行星的输送。”

因此，这项调查可能最终对了解地球是如何形成的以及它是如何支持生命的至关重要。

上周发表在《天文学杂志》上的三篇论文讨论了该团队的研究。