巨行星在宇宙环境中面临一场时间竞赛

一幅描绘年轻恒星被由气体和尘埃构成的原行星盘环绕的图像。中心的气流代表着从年轻行星系统中被强力排出的气体。图片来源：欧洲航天局美国国家航空航天局、AVO项目以及保罗帕多瓦尼

詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）对数十颗年轻的类太阳恒星的观测表明，随着行星形成盘所在的恒星系统不断演化，剥离行星形成盘中气体的力也会发生变化。

在年轻恒星周围，用于形成行星的气体正在不断消失。美国国家航空航天局（NASA）詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的最新观测结果显示，在行星系统形成初期，这种气体的消失方式并非一成不变。相反，随着行星系统的演化，带走物质的风似乎也在发生变化。

由亚利桑那大学的纳曼巴贾吉领导、SETI研究所科学家乌玛戈蒂共同撰写的这项研究，考察了72颗类太阳年轻恒星周围的原行星盘。作为迄今为止最大规模的詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）行星形成研究之一，它揭示了在盘演化的不同阶段，不同机制主导着气体的移除。

这些研究结果发表在《天文学期刊》上。

这项研究的令人兴奋之处在于，我们现在可以通过大量年轻系统样本，看到行星形成盘去除气体的机制如何随时间变化。盘的消散为行星形成设定了一个基本时钟：一旦气体消失，形成富气行星的机会就基本结束了，戈尔蒂说。

我们的太阳系目前大约有45亿年的历史，大部分是空旷的空间。然而，在它形成后的最初几百万年里，年轻的太阳被一个密集的原行星盘所环绕，盘中的气体含量大约是尘埃的100倍。最终，大部分气体都消失了。

这一过程发生的速度很重要，因为盘状气体为木星和土星这类巨行星提供了原材料。如果它消失得太快，这些行星可能没有足够的时间积累它们厚重的大气层。

詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）探究了盘状风如何变化

巴贾杰及其同事利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）中红外仪器（MIRI）的存档观测数据重建了这一演化过程。这72个系统代表了年轻行星系统发展的不同阶段。综合来看，它们提供了一个序列，使研究人员能够追踪驱散盘状气体的机制如何随时间变化。

这些结果还验证了在詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）能够直接观测一些相关物质之前所做出的预测。当时，该论文的第二作者、巴贾吉的导师、月球与行星实验室（LPL）的教授伊拉里亚帕斯库奇牵头开展了一项关于喷流和星风如何演化的研究。在詹姆斯韦布空间望远镜投入使用之前，分子氢无法被直接观测到，但研究人员预测，在天体形成的早期阶段，分子星风可能足够强大，能够阻挡X射线光子。通过直接追踪分子氢，詹姆斯韦布空间望远镜的最新观测结果证实了这些预测。

研究人员专注于从星盘逸出的气体的两种特征：分子氢（原行星盘里最丰富的分子）和离子化氖。詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的灵敏度和空间分辨率使他们能够区分由分子氢形成的宽阔风，以及由氖所追踪到的喷流和风。

年轻的星盘通过磁风失去气体

在最年轻的恒星系统中，当物质仍在向中心恒星坠落时，詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）揭示出强烈的喷流和宽阔的外流现象，其中包含分子气体和原子气体。它们的特性与贯穿星盘的磁场驱动的风相符。气体可以沿着这些磁力线向外移动，同时带走质量和角动量。

随着这些系统逐渐老化，落入恒星的物质减少，喷流减弱，外流物质逐渐以原子气体为主。由于阻挡物质减少，年轻恒星发出的高能辐射能够深入原行星盘更远的地方，加热气体直至其逃逸。这一过程被称为光致蒸发。

戈尔蒂花了数十年时间研究原行星盘如何演化并失去其气体，包括紫外线和X射线辐射在产生光致蒸发风方面所起的作用。詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的观测如今将这项理论研究与对数十个年轻星系系统的测量联系起来，表明随着星盘老化以及磁驱动喷流和星风逐渐减弱，光致蒸发的重要性日益凸显。

行星形成面临不断缩短的时间限制

观测表明，盘的消散并非由单一机制主导。年轻的行星系统反而似乎会从一个由强大的磁驱动喷流和风主导的早期阶段，过渡到一个以原子外流（包括光蒸发风）更为重要的后期阶段。

这种不断变化的平衡决定了行星能够获取成长所需气体的时长。

因此，行星形成是一场与时间的赛跑，巴贾吉说。像木星这样的气态巨行星必须在星盘仍然足够厚实、能为它们提供物质的情况下，在恒星风和气流将这些原材料吹入太空之前，聚集起它们巨大的大气层。

在72个星盘中，有66个出现了延展的分子氢和电离氖发射现象。在46个星系中检测到了锥形分子氢风，而40个星系则出现了快速移动的氖喷流。每个有氖喷流的星盘也都有由分子氢或氧所追踪到的风的迹象。

更大的样本揭示了完整的转变

这项新分析是对同一批研究人员早期詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）观测结果的拓展。此前，巴贾杰、戈尔蒂及其同事捕捉到一张图像，显示有气体正从围绕年轻恒星TCha的行星形成盘中被移除。

这项研究表明，詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）能够直接观测单个行星系统中的盘状结构消散过程。通过将该方法扩展到数十颗年轻恒星，这项新研究揭示了喷流、分子风与原子风的相对重要性如何随行星系统的成熟而变化。

研究人员目前想要确定这些风随着时间会带走多少气体，以及盘的哪些区域为逃逸物质提供来源。这些测量结果不仅可以阐明行星形成的窗口期关闭得有多快，还可以阐明在可用气体消失之前不同类型的行星能在哪里形成。

参考文献10.384715383881ae9089

这项工作是在NCCRPlanetS框架内开展的，得到了瑞士国家科学基金会51NF40_205606号资助项目的支持。A.D.S.感谢欧洲研究理事会（ERC）101019751号资助项目MOLDISK的支持。

相关知识

韦布空间望远镜是由美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）和加拿大空间局（CSA）联合研制的红外天文望远镜，于2021年12月发射升空。它旨在观测宇宙早期形成的星系、恒星与行星系统的诞生过程，助力人类探索宇宙起源与演化，是当前人类最强大的太空观测设备之一。

BY: SETI Institute

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选文：天文志愿文章组-

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://scitechdaily.com/jwst-finds-giant-planets-face-a-cosmic-race-against-time/

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