美國國家航空暨太空總署（NASA）的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡揭開了一個數十年之久的太空之謎，證實了哈伯太空望遠鏡在20多年前首次提出的一個有爭議的發現。

韋伯太空望遠鏡提供了與現有理論相矛盾的證據，證實了在重元素極少的環境中長期存在的行星形成盤，這表明我們有必要修正對早期行星形成的認識。 Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Olivia C. Jones (UK ATC), Guido De Marchi (ESTEC), Margaret Meixner (USRA)

這是詹姆斯韋伯太空望遠鏡拍攝的NGC 346 的圖像，它是小麥哲倫雲中的一個巨大星團，小麥哲倫雲是一個矮星系，是銀河系最近的鄰居之一。 由於NGC 346 星團相對缺乏比氫和氦更重的元素，因此它是研究早期遙遠宇宙中具有類似條件的恆星環境的近鄰替代物。 影像上疊加的十個黃色小圓圈表示本研究中調查的十顆恆星的位置。 資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones（英國天文台）、Guido De Marchi（歐洲太空技術中心）、Margaret Meixner（美國天文台）

2003 年，哈伯望遠鏡偵測到證據，一顆巨大的行星圍繞著一顆古老的恆星運轉，其年齡幾乎與宇宙本身的年齡相當。 那個時代的恆星只含有微量的重元素–行星的關鍵構成元素。 這暗示行星的形成在宇宙歷史上開始得出奇地早。 儘管這些元素非常稀缺，但行星以某種方式成功地形成並長大–有些甚至比木星還要大。 但這怎麼可能呢？

為了探討這個問題，研究人員利用韋伯望遠鏡研究了附近一個星系中的恆星，這個星系與早期宇宙類似，重元素也很稀缺。 韋伯強大的儀器顯示，這些恆星中不僅有一些仍有行星形成的磁碟，而且它們的磁碟持續時間也遠遠長於我們銀河系中較年輕恆星周圍的磁碟。 這項意外發現挑戰了關於行星如何以及何時形成的現有理論。

這項研究的負責人、荷蘭諾德韋克歐洲太空研究與技術中心的吉多-德馬奇（Guido De Marchi）說：”透過韋伯望遠鏡，我們真正有力地證實了哈伯望遠鏡的觀測結果，我們必須重新思考如何模擬年輕宇宙中行星的形成和早期演化。

這張並排對比圖顯示的是大質量星團NGC 346 的哈伯影像（左）與同一星團的韋伯影像（右）。 哈伯影像顯示了更多的星雲物質，而韋伯影像則穿透了這些雲層，顯示了更多的星團結構。 NGC 346相對缺乏比氦和氫更重的元素，因此它是早期遙遠宇宙中恆星環境的良好代表。 資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones（英國天文台）、Guido De Marchi（歐洲太空技術中心）、Margaret Meixner（美國太空總署）、Antonella Nota（ESA）

在早期宇宙中，恆星主要由氫和氦形成，很少有碳和鐵等重元素，這些元素是後來透過超新星爆炸形成的。

韋伯研究的共同研究員、位於圖森的美國國家科學基金會NOIRLab雙子座天文台首席科學家埃萊娜-薩比（Elena Sabbi）說：”目前的模型預測，由於重元素太少，恆星周圍的星盤壽命很短，實際上短到行星無法長大。

為了驗證這個觀點，科學家將韋伯望遠鏡對準了小麥哲倫雲，這是一個矮星系，也是銀河系最近的鄰居之一。 他們特別研究了大質量恆星形成星團NGC 346，該星團也相對缺乏較重的元素。 該星團是研究早期遙遠宇宙中具有類似條件的恆星環境的鄰近替代物。

哈伯在2000 年代中期對NGC 346 進行的觀測發現，許多年齡約為2000 萬至3000 萬年的恆星周圍似乎仍有行星形成的星盤。 這有悖於人們的傳統看法，即這種星盤會在200萬或300萬年後消散。

De Marchi說：「哈伯發現是有爭議的，它不僅違背了銀河系的經驗證據，也違背了當前的模型。這很有趣，但由於沒有辦法獲得這些恆星的光譜，我們無法真正確定我們看到的是真正的吸積和星盤的存在，還是一些人為的影響。

此圖左下方黃色部分顯示的是本次研究中10 顆目標恆星之一的光譜（以及來自直接背景環境的伴光）。 高亮顯示了熱原子氦、冷分子氫和熱原子氫的光譜指紋。 左上方的洋紅色光譜略偏離恆星，只包括背景環境的光。右邊是上下兩條光譜線的對比。 對比結果顯示，來自恆星而非星雲環境的冷分子氫有一個較大的峰值。 另外，來自恆星的原子氫也顯示出較大的峰值。 這顯示恆星周圍存在一個原行星盤。 這些數據是用詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec）上的微型快門陣列拍攝的。 圖片來源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

現在，由於韋伯望遠鏡的靈敏度和分辨率，科學家首次獲得了附近星系中正在形成的類太陽恆星及其周圍環境的光譜。 De Marchi 說：”我們看到，這些恆星確實被星盤包圍著，即使在2000 萬年或3000 萬年的相對較老的年齡，它們仍在吞噬物質的過程中。這也意味著，與銀河系附近的恆星形成區相比，行星有更多的時間在這些恆星周圍形成和生長。

這張星團NGC 346 的圖像由韋伯的近紅外線照相機（NIRCam）拍攝，顯示了羅盤箭頭、比例尺和顏色鍵，以供參考。向北和向東的羅盤箭頭顯示了影像在天空中的方向。右下方是標示50 光年、15 皮秒的刻度條。 刻度條的長度約為影像總寬度的五分之一。 影像下方的色鍵顯示了創建影像時使用了哪些NIRCam 濾光片，以及每個濾光片的可見光顏色。 由左至右，NIRCam 濾光片分別是F200W 為藍色；F277W 為綠色；F335M 為橘色；F444W 為紅色。 資料來源：NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones（英國ATC）、Guido De Marchi（歐洲太空技術中心）、Margaret Meixner（美國太空總署）

這項發現駁斥了先前的理論預測，即當圓盤周圍的氣體中只有很少的重元素時，恆星會很快將圓盤吹走。 因此，磁碟的壽命會非常短，甚至不到一百萬年。 但是，如果星盤在恆星周圍停留的時間不足以讓塵粒黏在一起，形成鵝卵石並成為行星的核心，那麼行星又如何形成呢？

研究人員解釋說，行星形成盤在重元素稀缺的環境中持續存在可能有兩種不同的機制，甚至是一種組合機制。

首先，為了能夠吹走星盤，恆星會施加輻射壓力。 要使這種壓力有效，氣體中必須含有比氫和氦更重的元素。 但大質量星團NGC 346 中的重元素只佔太陽化學成分的10%左右。 也許這個星團中的恆星需要更長的時間來分散它的星盤。

第二種可能是，要在重元素很少的情況下形成類似太陽的恆星，它必須從更大的氣體雲開始。 更大的氣體雲會產生更大的圓盤。 因此，圓盤中的質量較大，即使輻射壓力的作用方式相同，也需要更長的時間才能將圓盤吹走。

薩比說：”恆星周圍的物質越多，吸積持續的時間就越長。磁碟消失的時間要長十倍。 這對如何形成行星以及在這些不同環境中的系統結構類型都有影響。這太令人興奮了。

科學小組的論文發表在12月16日出版的《天文物理學報》。

編譯自/ ScitechDaily