行星需要多少時間才能從恆星周圍的氣體和塵埃漩渦盤中形成？亞利桑那大學領導的一項新研究讓科學家們對我們的太陽係是如何形成的有了更好的了解。科學家認為，像太陽系這樣的行星系統所包含的岩石天體要多於富含氣體的天體。在太陽周圍，這些天體包括內行星–水星、金星、地球和火星-小行星帶和柯伊伯帶天體，如冥王星。

這幅藝術家的作品展示了位於半人馬座（The Centaur）南部活動星系NGC 3783 中心的超大質量黑洞的周圍環境。利用歐洲南方天文台智利帕拉納爾天文台的甚大望遠鏡干涉儀進行的新觀測不僅揭示了黑洞周圍的熱塵埃環，還揭示了極區的冷物質風。圖片來源：ESO/M. 科恩梅瑟

而木星、土星、天王星和海王星則主要含有氣體。但科學家很早就知道，行星形成盤一開始的氣體質量是固體質量的100 倍，這就引出了一個迫切的問題： 大部分氣體何時以及如何離開新生的行星系統？

揭開行星盤的秘密

亞利桑那大學月球與行星實驗室的納曼-巴加（Naman Bajaj）領導的一項發表在《天文雜誌》上的新研究給出了答案。研究小組利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）獲得了這樣一個新生行星系–也被稱為周星盤–的圖像，這個行星係正在積極地將氣體分散到周圍空間。

亞利桑那大學月球與行星實驗室的二年級博士生巴加說：「知道氣體何時散去非常重要，因為這能讓我們更了解氣態行星有多少時間來消耗周圍環境中的氣體。JWST可以幫助我們揭示行星是如何形成的。”

行星的形成過程

巴加表示，在行星系統形成的早期階段，行星凝聚在年輕恆星周圍的氣體和微塵旋轉盤中。這些微粒聚集在一起，形成越來越大的塊狀物，稱為行星體。隨著時間的推移，這些行星體碰撞並粘連在一起，最終形成行星。形成的行星的類型、大小和位置取決於可用物質的數量及其在星盤中停留的時間。因此，簡而言之，行星形成的結果取決於星盤的演化和散佈。

這項發現的核心是對T Cha 星的觀測，這是一顆年輕的恆星–相對於年齡約為46 億歲的太陽而言–被一個侵蝕的周星盤所包圍，其顯著特徵是巨大的塵埃間隙，橫跨約30 天文單位（或au），1 au 是地球與太陽之間的平均距離。

巴加和他的研究團隊首次拍攝了盤風的影像，盤風是指氣體緩慢離開行星形成盤時的影像。天文學家利用瞭望遠鏡對原子發出的光的敏感性，當高能量輻射（例如星光）將一個或多個電子從原子核中剝離時，原子就會發出光。這種現象稱為電離，電離過程中發出的光可以被用作一種化學”指紋”–在T Cha 系統中，可以追蹤到兩種惰性氣體–氖和氬。研究小組在論文中寫道，這次觀測也是首次在行星形成盤中偵測到氬的雙重電離。

Bajaj說：「我們影像中的氖特徵告訴我們，圓盤風來自遠離圓盤的擴展區域。這些風的驅動力可能是高能量光子–本質上是恆星發出的流光–或是行星形成盤中穿梭的磁場”。

恆星影響與不斷演變的星盤

為了區分這兩種影響，由荷蘭萊頓大學博士後研究員安德魯-塞勒克（Andrew Sellek）領導的同一研究小組對恆星光子（即年輕恆星發出的強光）驅動的散佈進行了模擬。他們將這些模擬結果與實際觀測結果進行了比較，發現高能量恆星光子的散佈可以解釋觀測結果，因此不能排除這種可能性。研究得出結論，每年從T Cha 星盤散逸的氣體量相當於地球上的月球。這些結果將發表在一篇配套論文中，目前正在《天文雜誌》上進行審查。

雖然在許多其他天體中都探測到了霓虹訊號，但直到2007年，LPL的教授伊拉利亞-帕斯庫奇（Ilaria Pascucci）利用JWST的前身–NASA的斯皮策太空望遠鏡首次發現了霓虹訊號，並很快將其確定為磁碟風的示踪劑之後，人們才知道霓虹訊號起源於低質量行星形成的磁碟。這些早期發現改變了研究工作的重點，即了解周星盤的氣體散佈。帕斯庫奇是最新觀測計畫的首席研究員，也是本文所報導的出版品的合著者之一。

帕斯庫奇說：”我們利用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡發現了空間分辨氖發射，並首次探測到了雙電離氬，這可能會成為改變我們對氣體如何從行星形成盤中清除的理解的下一步。這些見解將幫助我們更了解太陽系的歷史和對太陽系的影響。”

此外，研究團隊還發現，T Cha 的內盤正在以數十年的極短時間尺度演化；他們發現JWST 觀測到的光譜與Spitzer 早期探測到的光譜不同。據領導這項正在進行的工作的LPL二年級博士生謝承彥（Chengyan Xie）說，這種不匹配可以用T Cha內部一個不對稱的小圓盤來解釋，在兩次觀測之間的短短17年裡，這個圓盤失去了一些質量。

謝說：”與其他研究一樣，這也暗示著T Cha的圓盤正處於演化的末期。”我們也許能在有生之年見證T Cha內盤所有塵埃質量的消散。 “

編譯自/ scitechdaily