詹姆斯韦伯太空望远镜在猎户座星云中发现自由漂浮的行星？

    在靠近地球的最大恒星形成区域，詹姆斯韦伯太空望远镜发现了数百个行星质量天体。这些自由漂浮的行星如何形成的呢？

STARTS WITH A BANG — OCTOBER 11, 2023

Ethan Siegel

 猎户座星云的这个小区域被用詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外相机仪器成像仪拍摄，不仅展示恒星、气体和尘埃，还展示了行星质量的天体，其中五个令人惊讶的以双对的形式被发现。这些被称为木星质量双天体（JuMBOs），包含约所有发现的行星质量天体的9%。Credit: M.J. McCaughrean & S.G. Pearson, A&A submitted, 2023; Processing & Annotation: E. Siegel

关键要点

    天空中最被研究多的区域之一是猎户座大星云：距离地球最大、最近的恒星形成区域，在那里成千的新生恒星，包括许多成生命的行星。

    用先前来自太空和地面的成像，我们已经揭示了原行星盘、气体的结，年轻恒星的流出和巨大数目的新形成的恒星

    但用詹姆斯韦伯太空望远镜，我们现在已经超越了这些限制，并也在那个星云中揭示了数百颗木星质量的行星。我们之前的行星形成的最佳理论不能解释它们，提示某些惊人的东西。

    如果有一件事在天文学的科学中几乎总是正确的，那就是每当你采用一个新的仪器、望远镜或天文台时------更强大和有新超越以前所有仪器的能力的------无论你看哪里，你一定揭开新的细节，即便它真能够在窥视着一个你以前已经看过数千次的天体。自 2022 年年中詹姆斯韦伯太空望远镜完成了它的调试操作并开始观测宇宙的各个方面以来，它彻底改变了我们的行星、恒星、星云、星系、星系团以及遥远宇宙最深、最黑暗的深处的观望。

    然而，最近，它把它的注意力转向了猎户座星云：离地球最近的大型恒星形成区域。刚好位于距离我们1300光年远并包含约太阳质量的2000倍，它在天空中跨越超过一平方度，而它之内的最密集的星团梯形星团，包含大约2800颗彼此相距在20光年以内的恒星。

  值得注意的是，正如由马克麦克考福林（Mark McCaughrean）和萨姆拍尔森（Sam Pearson）在两篇全新论文中详细介绍的那样，他们已经发现了500多个木星质量的行星一样的天体在勘查区域内自由漂浮，有一个高达9%的它们在双星系统中，使它们成为木星质量双星天体（JuMBO）。虽然作者声称不能够解释这些天体或它们的丰度，但天体物理学可能知道答案。基于这些新发现，这里是我们都应该强烈怀疑的。

这两个并排的观望被集中在猎户座星云内的梯形星团上，并显示空间的该区域短红外波长（顶部）和长红外波长（底部）观望，如用詹姆斯韦伯太空望远镜的NIRCam成像仪拍摄的那样。Credit: M.J. McCaughrean & S.G. Pearson, A&A submitted, 2023; Processing: E. Siegel

    位于我们在太空中的位置最美妙的方面之一------在一个像银河系一样大质量的、演变的、富含气体的星系内的螺旋臂的周边------ 是我们已经得到如此许多发生在相对附近的东西的，在一个宇宙意义上。例如，在我们的位置几乎没有星际尘埃，使看到各个方向的数千光年很容易。在我们的100光年之内，有成千的恒星，使我们来普查一个恒星数量是可能的。这些恒星中的许多已被证明周围有行星，使我们能够来计算出哪些条件对恒星形成行星是有利的。

    而且，也许非常相关重要的是我们还看到恒星育婴所：正处在积极形成恒星的空间区域。猎户座星云是离地球最近的大型恒星形成区域，把持也许是是我们自己的太阳系以外第一个非常被照相上成像的天体的荣誉，一路追溯回到1880年代初。在它之内不仅是新形成的恒星，包括许多注定短命的明亮的大质量恒星，还有坍塌的分子气体云、尘埃笼罩的有原行星（即行星形成）盘的原恒星，以及被附近新生恒星的辐射煮沸掉蒸发的气态小球。

2016年，欧洲南方天文台的HAWK-I仪器完成了一个基于地面的猎户座大星云的红外映射，产生这里显示的图像。在那张图像内，当时发现了大量质量在3-13个木星之间的行星质量天体：比被预期的更多。随甚至更新的詹姆斯韦伯太空望远镜结果，发现了更多更暗淡、质量更低的天体，包括一个惊奇： 9%的它们是双星天体。Credit: ESO/H. Drass et al.

    以詹姆斯韦伯太空望远镜按它的红外覆盖范围和灵敏度的独特能力，以及它的非常高能量分辨率和空间分辨率，它能够来分辨之前在各种系统中从未见过的细节。它已经观察了附近有原行星盘的恒星，并看到了我们以前从未能够来分辨的细节，诸如一个内盘和一个模拟“中间带”的首次存在，发现在我们自己的太阳系小行星和柯伊伯带之间躺着。

    但当詹姆斯韦伯太空望远镜窥视猎户座大星云内部深处时它会看到什么，在那里已经发现了数千颗新恒星、数十个原行星盘和大量的封锁光的尘埃？

    詹姆斯韦伯太空望远镜的一个令人兴奋的新特征是它的来以高空间分辨率观测的能力：某些以前只对非常大的天基天文台如哈勃或基于地面极端大型天文台可获得的东西。然而，与它们中任何一个不同，詹姆斯韦伯太空望远镜被优化红外观测。不只是“一点点进入近红外”这哈勃望远镜和大多数地面天文台能做到的，而是在全套近红外波长上：从0.7微米一路到5.0微米，以及（用一个不同的仪器）中红外波长（从5.0-28微米）。

绿色框覆盖了先前基于地面的猎户座大星云图像的一部分，展示詹姆斯韦伯太空望远镜已经在猎户座内将它的近红外相机仪器观测聚焦在梯形星团和周边区域上。它位于这个星团内，该星团在一个半径仅为10光年内包含一个估计的2800颗恒星，以及许多有趣的尘埃和亚恒星天体。Credit: M.J. McCaughrean & S.G. Pearson, A&A submitted, 2023

    这些最近刚刚对猎户座星云进行的研究------ 仍然是詹姆斯韦伯太空望远镜第一年科学计划的一部分------聚焦在猎户座星云的一小部分上，中心在密集的梯形星团上，是一些已知最年轻恒星的家园：中位年龄仅为约30万岁的恒星。对人类历史的大部分时间，梯形星团的大部分已经被尘埃遮挡。

    然而，尘埃有许多理由是引人注目的，其中一个原因是它不能相等的阻挡所有波长的光。尘埃颗粒的尺寸是相对较小的（平均而言），优先于阻挡更短、更蓝波长的光。红光（约700纳米）比蓝光（约400纳米）更容易穿过一个尘埃云，因此尘埃的观测效应之一是天文学家叫变红的。

    然而，尘埃的另一个特征是对更长波长的光那个变得甚至更透明。在2.0微米时，灰尘比它在0.7微米时做的阻挡远更小部分的光。在3.5或5.0微米时，尘埃的封锁光效果是甚至更小的，允许越来越多的这些波长的光来通过。这使来观望许多重要细节更容易：温暖的气体、未来的恒星形成场所、原恒星和甚至褐矮星和气态巨行星。

这些刚好在猎户座星云梯形星团东的北极柱和南柱的特写观望被以短红外波长（左）和长红外波长（右）显示。注意图像的长波长部分的绿色，可能是一个多环芳烃的示踪剂：有机分子。Credit: M.J. McCaughrean & S.G. Pearson, A&A submitted, 2023

    被公众普遍低估了的最后一个事实。因为我们习惯于在可见光中来看宇宙，我们通常的思维式是：

    恒星发射光，

    太空中的其他天体吸收和/或反射那个星光，

    因此我们看到的是一个被发射、被反射和被封锁（或“灭绝的”）星光的组合。

    这对可见光通常是真实的，因为非恒星天体是非常罕见的热到足以来发射可见光：波长范围为400-700纳米（0.4-0.7微米）。

    然而，我们深入红外线越远，我们就获得看 “更凉”的天体，它们发射它们自己的、更长波长的光。当詹姆斯韦伯太空望远镜拍摄土星时，它完成了它的我们太阳系中气态巨行星的肖像，从木星直到到海王星，包括的。然而，这四个世界看起来彼此非常不同是有一个号理由的。在土星、天王星和海王星上，詹姆斯韦伯太空望远镜看到的特征主要是由于反射的阳光：来自它们的大气层和环中的云和冰。然而，木星是一个不同的故事，由于它的大质量，木星拥有一个实在的内部热，甚至在它形成了45亿年后。与我们太阳系中的其他巨型世界不同，木星的部分红外光来自它发射它自己的热的事实：事实上，实在足以对詹姆斯韦伯太空望远镜的眼睛出现可见的。

这里显示的是被校准到彼此相同的相对“实际大小”，与木星相比土星的外观是微弱和黑暗的。这是由于在土星高层大气层中的吸收特征在木星上并不占主导地位，但也由于木星在红外光中内在的比土星远更亮，因为木星在内部产生它自己的大部分热。Credit: NASA, ESA, CSA, Matthew Tiscareno (SETI Institute), Matthew Hedman (University of Idaho), Maryame El Moutamid (Cornell University), Mark Showalter (SETI Institute), Leigh Fletcher (University of Leicester), Heidi Hammel (AURA); Processing: Joseph Pasquale (STScI) (L); NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team; Processing: Judy Schmidt (R)

    这意味的是在许多不同的红外“滤光片”中观察猎户座大星云的这一部分中詹姆斯韦伯太空望远镜将对各种各样的天体敏感，包括对所有前几代望远镜都不能得到的某些类别的天体。它将看到：

    成熟的恒星，

    周围有原行星盘的原恒星，

    在它们核正在燃烧氘但不燃烧氢的褐矮星（即失败的恒星），

    以及产生它们自己的红外光的亚恒星天体，

    以及其他气体结和在像这样的星云中是如此常见的尘埃特征。

    来告诉“什么是什么”的关键是简单的来观测一系列不同的波长，包括各种短红外波长和一系列更长的红外波长，因为天体依靠它的温度发射不同量的光，而温度------至少对发射它们自身能量的天体------ 是一个质量的直接函数。因此，假设我们正确的理解在不同波长上的质量、温度和发射之间的关系，来用詹姆斯韦伯太空望远镜不仅可以识别各种类型的恒星、褐矮星和巨大的行星质量天体变得可能的，还可以来将它们彼此区分开来，甚至在像猎户座大星云这样复杂而遥远的一个位置内。

在猎户座大星云的一个非常小的区域内发现的五个不同的木星质量双星天体（JuMBO）。请注意，这些特定的木星质量双星天体编号为 31 到35，表明有数十个这样的天体。被这次勘查发现的所有木星质量天体，大约9%的它们被锁定在双星系统中。Credit: M.J. McCaughrean & S.G. Pearson, A&A submitted, 2023

    虽然他们确实在这个空间区域内发现了很多被预期的东西，但其中有一个巨大的惊奇：作者叫木星质量双星天体（JuMBO）的一个全新天体类别：木星质量双星天体。总告知了发现了大约540个木星质量天体，范围从大约0.6个木星质量大约是詹姆斯韦伯太空望远镜可以识别的下限，一路到大约13个木星质量或者最大质量行星和质量最小的褐矮星之间的近似线。这代表很多的行星;远远超过仿真和以前的恒星形成星云模型会已经预测的。

    但更令人惊讶的是，这些天体的一个高达9%被发现在宽的双系统中，比人们预期的一个远更大的分数。研究人员自己称之为“一个高度出乎意料的结果，它挑战目前关于恒星和行星形成的理论”。

    然而，这也许并不是如此一个惊奇，毕竟，如果我们不仅考虑最常见的行星形成两种手段，被称为“盘不稳定”和“核吸积”场景，而一个第三种选择被预计在凡是新恒星形成的地方发生，但以前从未被直接的观察到：一个在那里原恒星和原行星形成被突然切断的地方， 因为物质的引力坍塌失去与恒星形成物质的蒸发力的竞赛，由于来自附近恒星的紫外线辐射。

在三种不同波长的光中观察同一空间区域，一个短波长红外观望、一个长波长红外观望和一个波长为1.87微米的窄带观望，揭示猎户座大星云内同一区域内的许多不同特征。在长波长光中明亮发光的特征表明大量适度凉的中性物质，指向在这些区域中恒星形成仍在进行中。Credit: M.J. McCaughrean & S.G. Pearson, A&A submitted, 2023; Animation by E. Siegel

    如果你有的只是一团分子气体的云，恒星形成进程的方式通常如下。

    气体云将分块，整个坍塌成收缩的团块。

    在密度上升最高最快的地方，新的原恒星开始来形成。

    这些原恒星通常围绕它们获得原行星盘。

    在每个圆盘内，引力不完美发生、增长并导致原行星核。

    最大的原行星核它们自己吸积成行星（甚至原恒星），并且能发展它们自己的环行星盘，在那里月球（或行星）系统将形成：“核吸积”场景。

    在距离中心原恒星甚至更远的地方，引力不稳定性和物质的快速早期坍塌能创造巨大的行星甚至额外的恒星：“盘不稳定性”场景。

    然后，从所有新生恒星累积的大量的紫外线辐射被发射。

    这种辐射煮沸掉围绕收缩团块的坍塌物质，塌陷得更慢或从更小的初始密度不完美生长。

    而且，当足够的物质被煮沸掉时，凡是系统在那时处在生长的“遏制”状态的都将是剩下的。

    很可能不是“被甩的巨行星”构成所有这些木星质量的行星，而是它们中一个实在部分是这些被沸腾掉的、失败的恒星系统。甚至更有可能 “失败的恒星系统”的解释是大多数甚至可能是所有这些木星质量双星天体级天体背后的罪魁祸首：由詹姆斯韦伯太空望远镜看到的木星质量双星天体。

随我们观察越来越低的质量，我们发现宽双星系统是更不常见的，因为我们下降到一个太阳质量的一个小分数。然而，按照最近在在猎户座大星云中发现的所有这些木星质量双星天体（JuMBOs）的研究，一旦我们离开“褐矮星”体制并减少到行星质量体制，这个比例出现来再次上升。目前，这一观察结果仍然不能被解释，尽管有想法。Credit: S.G. Pearson & M.J. McCaughrean, Nature submitted, 2023

    这正在令人惊讶的原因之一是您能从涉及引力、气体、反馈、辐射和许多其他贡献因素的仿真计算一个系统的“最小质量”需要是来从一个最初的气体分子云启动“碎裂”的第一步。答案虽然或许是一个天真的答案，但典型的是大约3到5个木星质量。

    然后如此我们如何正在看到木星质量的天体、包括一个质量更低的双星天体的不断增加的分数一路下降到只有0.6个木星质量呢？

    答案很好可能是恒星形成是一场伟大的宇宙竞赛，在这场比赛中，在第一名和第1000名完成者之间有一个巨大的差异，而第10000名完成者------在一个像猎户座星云的环境中------甚至不太可能得到一个来完成比赛的机会。相反，可能发生的是，一旦足够数量的足够大质量的恒星开始产生足够大量的紫外线辐射，那些早期的原恒星、那些还没有生长到足够大的质量来在它们的核中启动核聚变（甚至实际上接近）的恒星，发现它们的气体储备从外到内耗尽。它们只是耗尽了物质，并在它们在那一刻处在的它们恒星育婴所被吹走中以凡是胚胎状态的来永久存在。

在这里，在猎户座大星云内恒星形成区域的边缘可以看到蒸发的气态小球，有新生的恒星，何碧阁哈罗（Herbig-Haro）天体和许多更暗的光源，包括原恒星、褐矮星和甚至是内部发现的行星质量天体。随气体继续被沸腾掉，越来越多的这些低质量天体应该被揭示。Credit: M.J. McCaughrean & S.G. Pearson, A&A submitted, 2023

    在这个点上这仍然是健康的猜测，因为这种新的天体类别以前从未被见过，造成它们的形成的关键步骤观测上还没有被识别，但这些木星质量双星天体可能是一类新行星的直接结果：而不是被从在形成行星过程中的一个恒星系统甩出的流氓行星， 而会是已经是一颗恒星的种子，如果不是它们的环境的暴力。换句话说，凡是被甩出的是孤儿，通过引力暴力被从它们的母星撕裂，许多这些木星质量的行星，包括这里检测到的木星质量双星天体都是一个流产过程的残余物，只是阻止它们成长为一个成熟的恒星系统。

    好消息是对正在经历活跃恒星形成的更星云的区域用更长期观测------包括在猎户座大星云内但也在银河系内的其他地方------我们应该能够收集必要的观测数据来准确看这些天体在什么地方和怎样发生，以及在这些区域内形成的所有天体。然而，就在现在，我们没有选择，只能接受一个表面价值的观测数据：一个谜。毕竟，发现一种合理的机制通过它某些东西能发生是容易的。证明它是实际上在起作用的机制是困难的部分。

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