詹姆斯·韋伯太空望遠鏡加入尋找新生系外行星的行列 _太空

藝術家繪制的圍繞一顆嬰兒恒星形成的氣態巨行星的插圖。（圖片來源：ESO/L.Calçada）
據美國太空網（Robert Lea）：天文學家正在使用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）尋找在嬰兒恒星周圍形成的行星。強大的太空望遠鏡很快就交付了貨物，盡管方式出乎意料。
這些新生行星形成于被稱為原行星盤的氣體和塵埃漩渦中，在形成過程中聚集了更多的質量。人類已經對其中許多原行星盤中進行了成像，但迄今為止，天文學家只見過其中幾次正在形成的行星。
現在，由密歇根大學、亞利桑那大學和維多利亞大學的科學家領導的一個團隊將JWST的靈敏紅外儀器的力量添加到了這一探索中。該團隊使用大范圍觀測了原行星盤HL Tau、SAO 206462和MWC 758 ，并將觀測結果添加到哈勃太空望遠鏡和阿塔卡馬大型毫米陣列（ALMA）收集的數據中，希望能發現一顆行星正在形成。
這項調查還揭示了原行星盤和氣體包層之間迄今為止從未見過的相互作用，這些氣體包層更靠近位于這些盤中心的恒星。
團隊成員、密歇根大學天文學家Gabriele Cugno在一份聲明中表示：“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圓盤中，我們都看到了巨大的結構，如間隙、環，在SAO 206462的情況下，還有螺旋。” 。“這些結構中的大多數（如果不是全部的話）可以通過形成行星與盤狀物質相互作用來解釋，但也存在其他不涉及巨行星存在的解釋。
“如果我們最終能夠看到這些行星，我們可以將一些結構與形成的同伴聯系起來，并在更晚的階段將形成過程與其他系統的性質聯系起來。我們最終可以將這些點聯系起來，了解行星和行星系統是如何整體進化的。”
發現一顆意想不到的行星
Cugno領導了JWST對原恒星SAO206462周圍原行星盤的調查。原恒星是一種尚未積累足夠質量以觸發核心氫與氦融合的恒星體，這一過程定義了像太陽這樣成熟的主序星。
在SAO 206462周圍的原行星盤中，研究小組發現了一顆正在形成的行星的信號，但有一個轉折：這不是他們期望看到的行星。
Cugno繼續說道：“幾次模擬表明，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象的要冷得多，要么它可能被一些物質遮擋，使我們無法看到它。” 。“我們發現的是一顆不同的候選行星，但我們無法100%確定這是一顆行星，還是一顆微弱的背景恒星或星系污染了我們的圖像。
“未來的觀察將幫助我們準確地了解我們正在觀察的內容。”

圍繞嬰兒恒星SAO 206462的原行星盤中的螺旋臂。（圖片來源：NAOJ/斯巴魯）
這不是SAO 206462的磁盤第一次成為焦點。哈勃、阿爾瑪和超大望遠鏡（VLT）都研究過這個原行星盤，這些觀測結果表明它由兩個強大的螺旋組成。
這些螺旋很可能是由一顆正在形成的行星形成的。然而，在用JWST尋找這顆行星之前，該團隊曾預計會看到一顆主要由氦組成的氣態巨行星，如土星或木星。
Cugno說：“問題是，無論我們試圖探測到什么，都比恒星暗數十萬倍，甚至數百萬倍。” 。“這就像試圖探測燈塔旁邊的一個小燈泡。”
JWST的近紅外相機（NIRCam）使Cugno和同事能夠更深入地研究SAO 206462的圓盤，并探測來自該行星的熱能，其中一些熱能是在物質高速下落時釋放的。
Cugno說：“當物質落到行星上時，它會在表面發生沖擊，并發出特定波長的發射線。” 。“我們使用一組窄帶濾波器來嘗試檢測這種吸積。這以前在地面上以光學波長進行過，但這是JWST首次在紅外中進行。”
這表明一顆行星與中心原恒星的距離大約是地球和太陽距離的300倍。氣態巨星通常比這更靠近恒星，一些氣態巨星在原行星盤消散后向外遷移。
NIRCam的結果排除了星盤中質量大于木星2.2倍的物體，Cugno及其同事得出結論，如果有一顆氣態巨星雕刻出SAO 206462原行星盤的整齊螺旋，那么它一定非常冷。
最年輕的恒星擁有適合行星形成的物質
當Cugno和同事們觀察SAO 206462周圍的圓盤時，維多利亞大學的研究人員Camryn Mullin使用JWST研究了恒星HL Tauri（HL Tau）。這是一個距離地球約450光年的嬰兒，許多望遠鏡也對其進行了研究。
HL Tau的年齡估計不超過100萬年（與我們46億年前的中年太陽相比），是JWST原行星盤研究中最年輕的恒星。
Mullin說：“HL Tau是我們調查中最年輕的系統，仍然被落在圓盤上的大量灰塵和氣體包圍。” 。“我們對JWST能夠看到這種周圍物質的細節水平感到驚訝，但不幸的是，它掩蓋了來自潛在行星的任何信號。”
眾所周知，HL Tau的圓盤具有許多間隙和太陽系大小的環，這些環可能是行星的宿主。然而，由于星盤充滿了灰塵，而且系統還很年輕，即使是JWST也不太可能直接看到HL Tau周圍的行星。

HL Tauri周圍塵埃盤的ALMA圖像。（圖片來源：ALMA（ESO/NAOJ/NRAO））
該團隊能夠用JWST分辨出一種被稱為原恒星包絡的特征。這代表了在HL Tau周圍開始聚結的灰塵和氣體的密集流入。這些原材料從恒星之間存在的星際介質、氣體和塵埃流向恒星及其圓盤，最終將成為誕生行星的原材料。
尋找正在形成的行星的工作還在繼續！
亞利桑那大學史都華天文臺的NASA哈勃/薩根研究員Kevin Wagner用JWST檢查了MWC 758的原行星盤。這是另一個具有旋臂的原行星盤，可能表明存在一顆大質量行星。
這顆可能的行星和其他任何行星都沒有在團隊的研究中體現出來，但JWST的靈敏度和威力確實使他們能夠限制原行星盤內任何潛在的形成行星。這包括排除了在遠離MWC 758恒星的圓盤外圍有行星的可能性。
Wagner說：“在所有三個系統中都沒有檢測到行星，這告訴我們，造成間隙和旋臂的行星要么離宿主恒星太近，要么太微弱，無法用JWST看到。” 。“如果后者是真的，它告訴我們，它們的質量相對較低，溫度較低，被灰塵包裹，或者是這三者的某種組合——就像MWC 758中的情況一樣。”

MWC 758周圍行星形成盤的圖像。（圖片來源：ESO/A.Garufi等人；R.Dong等人；ALMA（ESO/NAOJ/NRAO））
研究人員表示，對年輕恒星周圍行星形成的研究對于了解材料如何在年輕系統中分布以及像太陽系這樣的成熟集合是如何形成的至關重要。
團隊成員、密歇根大學天文學家邁克爾·邁耶說：“只有大約15%的像太陽這樣的恒星有像木星這樣的行星。了解它們是如何形成和演化的，并完善我們的理論，這真的很重要。” 。“一些天文學家認為，這些氣態巨行星調節著水向圓盤內部形成的巖石行星的輸送。”
因此，這項調查可能最終對了解地球是如何形成的以及它是如何支持生命的至關重要。
上周發表在《天文學雜志》上的三篇論文討論了該團隊的研究。