行星形成於被稱為原行星盤的塵埃和氣體盤中，它們在原恆星的最後組裝過程中圍繞著中心原恆星旋轉。儘管已經對幾十個這樣的星盤進行了成像，但迄今為止，只有兩顆行星在形成過程中被捕捉到。現在，天文學家正將詹姆斯-韋伯太空望遠鏡上的強大儀器對準原行星盤，試圖找到有關行星形成方式的早期線索，以及這些行星如何影響它們的星盤。

這幅藝術家的作品展示了一顆氣態巨行星的形成過程，它嵌入一顆年輕恆星周圍塵埃環中的塵埃和氣體盤中。由密西根大學天文學家加布里埃爾-庫格諾（Gabriele Cugno）領導的密西根大學的一項研究將詹姆斯-韋伯太空望遠鏡瞄準了一顆名為SAO 206462 的原恆星周圍的原行星盤，希望能發現一顆正在形成的氣態巨行星。

密西根大學、亞利桑那大學和維多利亞大學領導的三項研究將JWST的圖像與哈伯太空望遠鏡和智利阿塔卡馬大型毫米波陣列（ALMA）之前的觀測結果相結合。在輔助觀測的基礎上，研究團隊利用JWST 觀測了原行星盤HL Tau、SAO 206462 和MWC 758，希望能偵測到任何可能正在形成的行星。

在發表於《天文雜誌》（The Astronomical Journal）的這些論文中，研究人員拼湊出了行星形成盤與原行星盤中心年輕恆星周圍的氣體和塵埃包層之間以前從未見過的相互作用。

由麻省理工大學天文學家加布里埃爾-庫格諾（Gabriele Cugno）領導的麻省理工大學研究將JWST瞄準了一顆名為SAO 206462的原恆星周圍的盤。在那裡，研究人員可能發現了一顆正在原行星盤中形成的候選行星–但這並不是他們期望發現的行星。

「一些模擬結果表明，這顆行星應該在圓盤內，質量大、體積大、溫度高、亮度高。但我們沒有發現它。這意味著，要么這顆行星比我們想像的要冷得多，要么它可能被某些物質遮擋住了，使我們無法看到它，”庫格諾說，他也是這三篇論文的共同作者。 “我們發現的是一顆不同的候選行星，但我們無法百分之百確定它是一顆行星，還是一顆模糊的背景恆星或星系污染了我們的圖像。未來的觀測將幫助我們準確地了解我們所看到的是什麼”。

天文學家過去曾對這個圓盤進行觀測，特別是哈伯太空望遠鏡、Subaru望遠鏡、甚大望遠鏡和ALMA。這些觀測結果表明，圓盤由兩個強螺旋組成，很可能是由一顆正在形成的行星發射的。馬薩諸塞大學的研究團隊預計發現的行星屬於氣態巨行星，主要由氫和氦組成，類似於太陽系中的木星。

兩隻旋臂從SAO 206462周圍富含氣體的盤中伸出，SAO 206462是一顆位於豺狼座的年輕恆星。這張由Subaru望遠鏡及其HiCIAO 儀器所獲得的影像首次顯示了環星盤中的螺旋臂。影像追蹤了恆星發出並散射在星盤表面的光線。星盤本身的直徑約為140億英里，約為太陽系中冥王星軌道的兩倍。圖片來源：NAOJ／Subaru

庫格諾說：”問題是，我們要探測的東西比恆星暗淡幾十萬倍，甚至幾百萬倍。這就像試圖探測燈塔旁邊的一個小燈泡一樣。”

為了更近距離地觀察這個圓盤，研究小組使用了JWST 上的一個名為NIRCam 的儀器。 NIRCam可偵測紅外光，天文學家利用該儀器採用了一種稱為角差分成像的技術。這種技巧既可以用來探測行星的熱輻射–就像研究小組探測候選行星那樣，也可以用來探測與落到行星上並高速撞擊行星表面的物質有關的特定發射線。

庫格諾說：”當物質落到行星上時，會在表面產生震動，並發出特定波長的發射線。我們使用一組窄帶濾光片來探測這種吸積。以前曾在地面上用光學波長進行過這種探測，但這是第一次用JWST 在紅外線波段進行探測。

維多利亞大學的這篇論文由天文學學生卡姆林-穆林（Camryn Mullin）領導，描述了年輕恆星HL Tau周圍的圓盤圖像。

“HL Tau 是我們探測器中最年輕的系統，周圍仍有密集的塵埃和氣體流入星盤，”三項研究的共同作者穆林說：”我們對利用JWST 可以看到周圍物質的詳細程度感到驚訝，但不幸的是，這掩蓋了潛在行星的任何信號。

眾所周知，HL Tau 的星盤上有幾個太陽系規模的星環和縫隙，可能孕育著行星。

“雖然有大量證據表明行星正在形成，但HL Tau太年輕了，有太多的塵埃介入，無法直接看到行星，”尋找正在形成的行星的觀測活動的主要研究者、亞利桑那大學斯圖爾特天文台的天文學家Jarron Leisenring說。 “我們已經開始觀測其他已知行星的年輕系統，以幫助形成更完整的圖像。”

然而，令研究小組驚訝的是，JWST 揭示了一個不同特徵的意想不到的細節：原恆星包膜，據萊森林稱，它本質上是年輕恆星周圍剛開始凝聚的塵埃和氣體的密集流入。在重力的作用下，星際介質中的物質向內墜落到恆星和星盤上，成為行星及其前身的原料。

由美國太空總署哈伯/薩根研究員凱文-瓦格納（Kevin Wagner）領導的亞利桑那大學史都華天文台的研究對MWC 758的原行星盤進行了檢查。與SAO 206462 類似，由亞利桑那大學領導的研究小組先前的觀測也發現了在盤中形成的螺旋臂，暗示著有一顆大質量行星圍繞著它的主恆星運行。

研究人員說，雖然在最近的觀測中沒有在圓盤中探測到新的行星，但這種靈敏度是開創性的，因為它使他們能夠對可疑行星施加最嚴格的限制。首先，這些結果排除了在MWC 758 的外部區域存在其他行星的可能性，這與一顆巨行星驅動旋臂的情況是一致的。

這三項研究的合著者瓦格納說：”在所有三個系統中都沒有探測到行星，這告訴我們，造成縫隙和旋臂的行星要么離它們的宿主恆星太近，要么太暗，無法用JWST觀測到。

捕捉正在形成中的行星非常重要，因為天文學家不僅可以收集到關於行星形成過程的信息，還可以收集到關於化學元素如何在整個行星系統中分佈的信息。

“像太陽這樣的恆星中，只有大約15%擁有像木星這樣的行星。了解它們是如何形成和演化的，並完善我們的理論確實非常重要，”三項研究的共同作者、麻省理工大學天文學家邁克爾-邁耶（Michael Meyer）說。 “一些天文學家認為，這些氣態巨行星調節著向在星盤內部形成的岩質行星輸送水的過程。

邁耶說，了解氣態巨行星是如何塑造這些星盤的，將有助於天文學家最終了解原行星盤的性質和演化過程，這些原行星盤後來產生了岩質類地行星。

庫格諾說：”基本上，在我們以足夠高的分辨率和靈敏度觀測到的每一個星盤中，我們都能看到大型結構，如間隙、星環，在SAO 206462的情況下，還有螺旋狀結構。

如果我們最終能夠看到這些行星，我們就能將其中的一些結構與正在形成的伴星聯繫起來，並將形成過程與其他系統在更晚階段的特性聯繫起來。我們最終可以把這些點連結起來，了解行星和行星系統作為一個整體是如何演化的”。

編譯來源：ScitechDaily