詹姆斯·韦伯太空望远镜正在深入挖掘气体行星的奥秘

哈耶萨鲁亚源

木星是巨大的，有一半的光，它的卫星木卫一在前景中，明显更小。（图片来源：美国国家航空航天局/约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室/西南研究所/戈达德太空飞行中心）

（）据美国太空网（Monisha Ravisetti）：可以说，我们太阳系最令人困惑的方面之一是，并不是每个行星都像地球一样是一块漂亮、坚固的岩石。有些实际上几乎完全是由气体制成的。你不能完全“站”在木星上的任何地方，除非你设法一路穿过木星的气体层，在到达橙色条纹的世界潜在的岩石核心之前，在不真实的压力下幸存下来。这听起来并不理想。

即使是科幻电子游戏的创作者有时也很难描绘穿越其中一个世界的感觉。在Xbox游戏《星际争霸》中获得免费统治权后，我想做的第一件事就是让我的飞船降落在模拟的海王星上，看看会发生什么。游戏不允许这样做。不用说，对科学家来说，巨大气体球体的奥秘也是一个非常有趣的问题。现在他们有了詹姆斯·韦伯太空望远镜令人难以置信的强大红外眼，他们正在把太空仪器放在这个盒子上。

就在上周，一个团队宣布，由于JWST，他们可能会对气态巨行星形成的动力学进行一些更新。更具体地说，研究人员表示，他们已经开始在回答气体巨星在宿主恒星周围形成多长时间才能使这些恒星周围的所有气体消失的问题上取得进展。

简短的答案是，不是很长——但整个故事要微妙得多。

该团队使用JWST来探测所谓的“圆盘风”（有点令人困惑）。这并不是你想象中的风。相反，它指的是气体离开恒星周围圆盘的过程。这个“圆盘”将充满不同类型的物质，有可能产生行星。因此，它被称为“原行星盘”

“我们知道它们的存在，它们可能在盘面演化中发挥重要作用，”新的盘面风分析的主要作者、亚利桑那大学月球和行星科学实验室的科学家纳曼·巴贾杰说，告诉Space.com。“我们不知道的是潜在的物理现象，以及由此损失的质量。这些是回答我们关于其影响的所有问题的关键。”

这样的圆盘也会包括非气态的碎片，就像随着时间的推移可以聚集在一起形成岩石行星的尘埃一样。事实上，人们认为地球就是这样形成的。

巴贾杰说：“关于这个名字，我只能怀疑是因为它的‘慢’速度。”。他解释说，该团队研究的圆盘风似乎以每秒10至15公里（6至9英里）的速度移动。另一方面，快速移动的气体模式通常被称为“喷流”。它们的速度可以超过每秒100公里（62英里）。

尽管Bajaj和其他研究人员没有就气体行星在原行星盘气体完全耗尽之前可能需要形成多长时间得出最终的、得到严格证实的答案，但他确实根据自己的计算提供了一个大致的答案。他估计：“考虑到这个圆盘中的气体质量，假设气体将以我们发现的恒定速度离开——大约每年一个月球质量——大约需要10万年。”。

是的，这听起来像是一段很长的时间。但是，正如巴贾杰所强调的，从天文学的角度来看，这是一个非常短的时间尺度：“原行星盘的寿命大约为500万至1000万年！”

如何查找空间磁盘

处理盘风运动的第一步就是简单地找到一个盘风主题。当然，要找到一个圆盘风的主题，你需要找到一个原行星盘。

我们的太阳系不适用于这种分析，因为我们所有的行星都是完整的——包括气态行星。因此，该团队的圆盘风目标最终与一颗年轻的低质量恒星T Cha周围的圆盘有关。老实说，这是一个超级有趣的明星本身。这个闪闪发光的天体距离地球约350光年，已知其圆盘中有一个很大的尘埃间隙。这个灰尘间隙正是它听起来的样子。

Bajaj说：“这些间隙被认为是行星在绕恒星运行时消耗掉所有物质而产生的。”。

因此，这样的差距表明，这颗恒星周围确实有萌芽的行星，而且年龄足够大，这些新生的行星有时间吃掉一些圆盘本身。巴贾杰说：“我们也把这称为过渡阶段。”。“它正在从原行星盘过渡到更像太阳系的结构。”此外，Bajaj解释说，之前的地面观测表明，该盘中存在氖，这基本上标志着该盘的气体是如何缓慢排出的。稍后会有更多内容。

因此，一个优秀的椎间盘学科就在眼前。下一步是开始进行一些观察，看看T Cha周围发生了什么。

是时候追踪一些霓虹灯了。



这是一张年轻恒星T Cha周围区域的可见光宽视场图像，由通过红蓝滤镜拍摄的照片创建，是数字化巡天2号的一部分。（图片来源：ESO和数字化巡天2。鸣谢：Davide De Martin）

气态贵族

氖是一种稀有气体，是一类由具有完全填充的外电子壳层或价壳层的原子表示的元素。简单地说，由于价壳层的特性，这些气体是非常不活泼的。然而，如果暴露在足够高的温度下，它们仍然有可能失去其中一个外层电子。如果发生这种情况，气体就会被“电离”或带电。

因为电子带有负电荷，失去一个负电荷会使以前中性的原子变得更正一些。获得额外的电子同样会使先前中性的原子变得更负。但是，对天文学家来说，重要的是，当宇宙中的某个地方发生这种电离时，会留下一个可以被他们的设备跟踪的信号。其中包括詹姆斯·韦伯太空望远镜。

而且，正如Bajaj所解释的，霓虹灯的特征对于圆盘风跟踪来说特别特别。

首先，一些气体更有可能存在于原行星盘中。轻便的霓虹灯就是其中之一。Bajaj解释道：“对于较重的稀有气体，它们的丰度非常低，所以我们看不到它们。”。

第二，不同元素的电离情况不同。有时，需要一个非常高的温度才能将电子从原子上踢出；其他时候，电子更愿意退出，并且在较低的温度下退出。

Bajaj说：“氦比任何一种（稀有气体）都要丰富得多，它被电离的温度要求要高得多。”。

然而，另一方面，氖会在更温和的温度要求下喷出一个电子——这就是为什么该团队专门寻找氖发射线，以观察气体在T Cha原行星盘内是如何演化的。简而言之，他们找到了两个。

“当我们第一次看到光谱时——我研究生院的第一周——我们看到两条霓虹灯都在蓬勃发展！”Bajaj说道，并补充道，其中一条线实际上以前从未在T Cha周围看到过。“通过JWST观察，我们发现霓虹灯来自离恒星更远的地方。”

巴贾杰说：“我花了好几个月的时间试图从图像中弄清楚我们是否能看到霓虹灯的发射结构；这非常困难。”。他解释说，他花了大约八个月的时间才从JWST的图像中确认该结构确实存在。

但这还不是全部。有一个惊喜。



这幅艺术家的插图描绘了气体离开新生的行星形成盘的样子。（图片来源：ESO/M.Kornmesser）

Bajaj说，除了霓虹灯线，研究小组还发现了一条非常强的氩线。尽管以前在一些原行星盘中看到过这样的氩线，但没有一个看起来如此强烈。

然后，又是一个惊喜。

Bajaj说：“我们一直认为我们有两条氖发射线和一条氩发射线，但有一天天气好，我在浏览光谱时发现我们有另一条氩线。”。“这比其他比赛弱得多，所以我们错过了很长一段时间。”

“我们意识到这是我们第一次在任何原行星盘中看到这条线！”他补充道。“一些资深研究人员认为这永远不可能做到，但经过几个月的一些更严格的测试，我们证实我们已经做到了。”

我们该何去何从？

巴贾杰重申的一个重要观点是，该团队的新结果实际上是在进一步了解气体行星令人费解的本质的宏伟进程中迈出的一小步，尽管这一步至关重要。这些奇怪的气体球体是从哪里来的？他们的建筑似乎很难与之抗衡。

这项新工作不仅加强了之前在这一领域进行的许多观察（事实上，其中一些观察是由巴贾杰的合著者领导的），而且还为未来广泛的迷人研究打开了大门。例如，有了这些盘风的细节，该研究的合著者、荷兰莱顿大学的博士后研究员Andrew Sellek随后发表了一篇论文，概述了模拟结果，表明盘风过程是由光蒸发驱动的。

冒着过于简单化的风险，在这种情况下，光蒸发是指恒星加热其周围圆盘中气体的能量，然后迫使气体扩散到太空中。巴贾杰说：“就像地球上的水是如何蒸发的。”。实际上，Sellek的论文最近被《天文学杂志》接受发表；预打印可在此处查看。

好吧，在这一点上，我可能有点沉思，但在深入了解了圆盘风的动力学之后，我忍不住想一想这个主题有多令人满意。这几乎就像碎片简单地落在了合适的位置。

例如，由于气体离开原行星盘的方式，确实一旦气体消失，只有岩石行星才能形成。气体世界，尤其是气态巨星，更有可能出现在行星系统的外部区域。原行星盘的外部区域往往有更普遍的质量，因此导致整体上有更大质量的行星，其中包括木星式的气态巨星。此外，主持人本身也有发言权。

Bajaj说：“离恒星很近的岩石行星（像水星）将很少或没有大气层，因为它将被太阳的高能光子剥离——类似于光蒸发。”。“对于气态巨星来说，如果它们碰巧在恒星附近形成，它们有可能在气体和太阳能量之间找到平衡。”

最后，尽管在这一点上说得很老套，但所有这些都证明了詹姆斯·韦伯太空望远镜在多大程度上改变了我们对宇宙的理解。它的红外灵敏度无疑是巨大的，但它的许多发现都归功于已经可以建立的大量工作——帮助科学家确定JWST应该在哪里寻找的论文库。

巴贾杰说：“我们确实站在巨人和巨型望远镜的肩膀上。”。

这项研究于3月4日发表在《天文学杂志》上。