韦伯太空望远镜发现早期宇宙中的行星形成盘寿命更长

韦伯太空望远镜提供了与现有理论相矛盾的证据，证实了在重元素极少的环境中长期存在的行星形成盘，这表明我们有必要修正对早期行星形成的认识。 Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Olivia C. Jones (UK ATC), Guido De Marchi (ESTEC), Margaret Meixner (USRA)

这是詹姆斯-韦伯太空望远镜拍摄的 NGC 346 的图像，它是小麦哲伦云中的一个巨大星团，小麦哲伦云是一个矮星系，是银河系最近的邻居之一。 由于 NGC 346 星团相对缺乏比氢和氦更重的元素，因此它是研究早期遥远宇宙中具有类似条件的恒星环境的近邻替代物。 图像上叠加的十个黄色小圆圈表示本研究中调查的十颗恒星的位置。 资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones（英国天文台）、Guido De Marchi（欧洲空间技术中心）、Margaret Meixner（美国天文台）

2003 年，哈勃望远镜检测到证据，一颗巨大的行星围绕着一颗古老的恒星运转，其年龄几乎与宇宙本身的年龄相当。 那个时代的恒星只含有微量的重元素--行星的关键构成元素。 这暗示行星的形成在宇宙历史上开始得出奇地早。 尽管这些元素非常稀缺，但行星却以某种方式成功地形成并长大--有些甚至比木星还要大。 但这怎么可能呢？

为了探究这个问题，研究人员利用韦伯望远镜研究了附近一个星系中的恒星，这个星系与早期宇宙类似，重元素也很稀缺。 韦伯强大的仪器显示，这些恒星中不仅有一些仍有行星形成的磁盘，而且它们的磁盘持续时间也远远长于我们银河系中较年轻恒星周围的磁盘。 这一意外发现挑战了关于行星如何以及何时形成的现有理论。

这项研究的负责人、荷兰诺德韦克欧洲空间研究与技术中心的吉多-德马奇（Guido De Marchi）说："通过韦伯望远镜，我们真正有力地证实了哈勃望远镜的观测结果，我们必须重新思考如何模拟年轻宇宙中行星的形成和早期演化。"

这张并排对比图显示的是大质量星团 NGC 346 的哈勃图像（左）与同一星团的韦伯图像（右）。 哈勃图像显示了更多的星云物质，而韦伯图像则穿透了这些云层，显示了更多的星团结构。 NGC 346相对缺乏比氦和氢更重的元素，因此它是早期遥远宇宙中恒星环境的良好代表。 资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones（英国天文台）、Guido De Marchi（欧洲空间技术中心）、Margaret Meixner（美国航天局）、Antonella Nota（ESA）

在早期宇宙中，恒星主要由氢和氦形成，很少有碳和铁等重元素，这些元素是后来通过超新星爆炸形成的。

韦伯研究的共同研究员、位于图森的美国国家科学基金会NOIRLab双子座天文台首席科学家埃莱娜-萨比（Elena Sabbi）说："目前的模型预测，由于重元素太少，恒星周围的星盘寿命很短，实际上短到行星无法长大。但哈勃确实看到了这些行星，那么如果模型不正确，盘状物可以活得更久呢？"

为了验证这一观点，科学家们将韦伯望远镜对准了小麦哲伦云，这是一个矮星系，也是银河系最近的邻居之一。 他们特别研究了大质量恒星形成星团 NGC 346，该星团也相对缺乏较重的元素。 该星团是研究早期遥远宇宙中具有类似条件的恒星环境的邻近替代物。

哈勃在 2000 年代中期对 NGC 346 进行的观测发现，许多年龄约为 2000 万至 3000 万年的恒星周围似乎仍有行星形成的星盘。 这有悖于人们的传统看法，即这种星盘会在200万或300万年后消散。

De Marchi说："哈勃发现是有争议的，它不仅违背了银河系的经验证据，也违背了当前的模型。这很有趣，但由于没有办法获得这些恒星的光谱，我们无法真正确定我们看到的是真正的吸积和星盘的存在，还是一些人为的影响。"

该图左下方黄色部分显示的是本次研究中 10 颗目标恒星之一的光谱（以及来自直接背景环境的伴光）。 高亮显示了热原子氦、冷分子氢和热原子氢的光谱指纹。 左上方的洋红色光谱略微偏离恒星，只包括背景环境的光。右边是上下两条光谱线的对比。 对比结果显示，来自恒星而非星云环境的冷分子氢有一个较大的峰值。 另外，来自恒星的原子氢也显示出一个较大的峰值。 这表明恒星周围存在一个原行星盘。 这些数据是用詹姆斯-韦伯太空望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）上的微型快门阵列拍摄的。 图片来源：NASA、ESA、CSA、Joseph Olmsted（STScI）

现在，得益于韦伯望远镜的灵敏度和分辨率，科学家们首次获得了附近星系中正在形成的类太阳恒星及其周围环境的光谱。De Marchi 说："我们看到，这些恒星确实被星盘包围着，即使在 2000 万年或 3000 万年的相对较老的年龄，它们仍在吞噬物质的过程中。这也意味着，与银河系附近的恒星形成区相比，行星有更多的时间在这些恒星周围形成和生长。"

这张星团 NGC 346 的图像由韦伯的近红外照相机（NIRCam）拍摄，显示了罗盘箭头、比例尺和颜色键，以供参考。向北和向东的罗盘箭头显示了图像在天空中的方向。右下方是标有 50 光年、15 皮秒的刻度条。 刻度条的长度约为图像总宽度的五分之一。 图像下方的色键显示了创建图像时使用了哪些 NIRCam 滤光片，以及每个滤光片的可见光颜色。 从左到右，NIRCam 滤光片分别是 F200W 为蓝色；F277W 为绿色；F335M 为橙色；F444W 为红色。 资料来源：NASA、ESA、CSA、STScI、Olivia C. Jones（英国 ATC）、Guido De Marchi（欧洲空间技术中心）、Margaret Meixner（美国航天局）

这一发现驳斥了之前的理论预测，即当圆盘周围的气体中只有很少的重元素时，恒星会很快将圆盘吹走。 因此，磁盘的寿命会非常短，甚至不到一百万年。 但是，如果星盘在恒星周围停留的时间不足以让尘粒粘在一起，形成鹅卵石并成为行星的核心，那么行星又如何形成呢？

研究人员解释说，行星形成盘在重元素稀缺的环境中持续存在可能有两种不同的机制，甚至是一种组合机制。

首先，为了能够吹走星盘，恒星会施加辐射压力。 要使这种压力有效，气体中必须含有比氢和氦更重的元素。 但是大质量星团 NGC 346 中的重元素只占太阳化学成分的 10%左右。 也许这个星团中的恒星需要更长的时间来分散它的星盘。

第二种可能是，要在重元素很少的情况下形成类似太阳的恒星，它必须从更大的气体云开始。 更大的气体云会产生更大的圆盘。 因此，圆盘中的质量更大，即使辐射压力的作用方式相同，也需要更长的时间才能将圆盘吹走。

萨比说："恒星周围的物质越多，吸积持续的时间就越长。磁盘消失的时间要长十倍。 这对如何形成行星以及在这些不同环境中的系统结构类型都有影响。 这太令人兴奋了。"

科学小组的论文发表在12月16日出版的《天体物理学报》上。

编译自/ScitechDaily