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JWST 揭示了行星形成与时间的赛跑
JWST 对 72 颗年轻恒星的调查显示，随着年龄的增长，行星形成盘从磁射流转变为光蒸发风，与巨行星的形成竞争。
来源:Scientific Inquirer行星是由年轻恒星周围的气体和尘埃盘形成的，但生长所需的气体不会永远持续下去。美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜 (JWST) 的新观测现在为了解这种气体如何逃逸以及随着年轻行星系统的发展过程如何变化提供了新的视角。
这项研究由亚利桑那大学的 Naman Bajaj 领导，并与 SETI 研究所科学家 Uma Gorti 共同撰写，研究了 72 颗年轻的类太阳恒星及其原行星盘。这是使用 JWST 进行的最大的行星形成研究之一。研究结果表明，不同类型的风在行星系统早期生命的不同阶段更为重要。
与时间赛跑
“这项研究令人兴奋的是，我们现在可以在大量年轻系统样本中看到，从行星形成盘中去除气体的机制如何随时间而变化。盘扩散为行星形成设定了基本时钟：一旦气体消失，形成富含气体行星的机会就基本上结束了，”戈尔蒂说。
今天，我们的太阳系已有大约 45 亿年的历史，并且大部分都是空旷的空间。然而，在最初的几百万年里，太阳被厚厚的原行星盘包围，其中的气体大约是尘埃的 100 倍。大部分气体最终消失了。
弄清楚这种情况如何以及何时发生非常重要，因为这些圆盘中的气体是木星和土星等巨行星的主要成分。如果气体消失得太快，这些行星可能没有足够的时间来形成厚厚的大气层。
使用 JWST 追踪风
为了研究这个过程，Bajaj 和他的团队使用了 JWST 中红外仪器 (MIRI) 的档案数据。 72 个系统中的每一个都代表行星系统早期生命的不同阶段。当结合起来时，这些观察结果就像电影中的帧一样，帮助研究人员拼凑出圆盘扩散如何随时间变化。
2020 年，该论文的第二作者、Bajaj 的顾问、LPL 教授 Ilaria Pascucci 领导了一个团队进行了类似的研究，以了解喷流和风是如何演化的。当时，在 JWST 之前，他们无法直接观察分子氢，但他们预测了分子风的存在，并且这些风的质量可能足以阻挡早期的 X 射线光子。通过这项新研究，通过直接追踪氢分子，Bajaj 的团队还利用 JWST 图像证实了这些预测。
该团队专注于逃逸气体的两种迹象：氢分子（原行星盘中最常见的分子）和电离氖。得益于 JWST 的灵敏度和敏锐的视觉，研究人员能够区分宽分子氢风和氖气标记的喷流和风。
在仍在向恒星发送物质的较年轻的系统中，观测结果揭示了由分子和原子气体组成的强烈喷流和大风。这些流出量符合科学家对穿过磁盘的磁场驱动的风的预期。气体可以沿着这些磁力线移动，远离圆盘并带走质量和角动量。
从磁风到光蒸发
随着这些系统的老化，落到恒星上的物质越来越少，喷流变得越来越弱，风主要变成原子风。此时，来自恒星的高能辐射可以穿过变薄的物质并加热盘状气体直至其逸出。这个过程称为光蒸发。
这种转变直接影响行星的形成方式。
构建行星形成的更大图景
期刊：天文期刊
DOI:10.3847/1538-3881/ae9089
戈尔蒂花了数十年的时间研究原行星盘如何演化和分散，包括来自年轻恒星的紫外线和 X 射线辐射如何驱动光蒸发风。新的 JWST 观测结果将这一理论工作与天文学家现在在数十个行星系统中所看到的联系起来，表明随着磁盘老化以及磁力驱动的喷流和风减弱，光蒸发变得越来越重要。
结果表明，没有任何一个过程可以控制行星形成盘如何消失。相反，行星系统似乎从具有强大的磁力驱动喷流和风的早期阶段发展到了包括光蒸发风在内的原子风发挥更大作用的后期阶段。
“因此，行星的形成是一场与时间的赛跑，”巴贾吉说。 “像木星这样的气体巨星必须在圆盘仍然足够大以供应它们的情况下聚集其巨大的大气层，然后风和喷气机将这些原材料带入太空。”
研究发现 72 个磁盘中的 66 个磁盘中分子氢和电离氖的排放量有所增加。研究人员在 46 个系统中看到了锥形分子氢风，在 40 个系统中看到了快速移动的氖射流。每个具有氖射流的系统也都有氢分子或氧分子追踪到的风的迹象。
这些发现建立在同一团队早期工作的基础上。 2024 年，Bajaj、Gorti 和他们的同事使用 JWST 捕捉到了一张气体图像，气体从年轻恒星 T Cha 周围的行星形成盘中被带走。
该研究表明 JWST 可以直接研究单个系统中的圆盘扩散。这项新研究将这种方法应用于数十颗年轻恒星，展示了喷流、分子风和原子风的混合如何随着行星系统变老而变化。
下一个目标是查明这些风随着时间的推移带走了多少气体，以及逃逸物质来自圆盘中的何处。这些测量不仅可以帮助科学家了解行星形成窗口关闭的速度，还可以帮助科学家了解在气体耗尽之前不同类型的行星可以在哪里形成。
论文“JWST/MIRI 揭示了从分子风到原子盘风的演变”，由亚利桑那大学的 Naman S. Bajaj 领导。合著者包括 SETI 研究所和 NASA 艾姆斯研究中心的 Ilaria Pascucci、Sylvie Cabrit、Suzan Edwards、Gabriele Cugno、Andrew D. Sellek、Joan R. Najita、Ke Zhu、Richard Alexander、Gregory J. Herczeg、Uma Gorti、Sophie C. Clark 和 Tracy L. Beck。
文章标题：JWST/MIRI 揭示了从分子到原子盘风的演变
发布日期：2026 年 8 月 25 日
来源：SETI 研究所