詹姆斯韦伯太空望远镜探测关于数十亿年前地球如何形成的线索

By Keith Cooper

2023/11/11

   Science & Astronomy

    詹姆斯韦伯太空望远镜在形成行星的圆盘中发现了水蒸气，支持一种关于世界如何形成的长期理论。

艺术家的一个气体、尘埃和冰卵石的行星形成盘的印象。 (Image credit: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI))

    詹姆斯韦伯太空望远镜已经窥探到放出一种冷 “流” 的行星形成圆盘，为一种描述行星如何被构建的领先理论提供着关键证据。

    由詹姆斯韦伯太空望远镜在两个紧凑的围绕刚好200万到300万岁年轻恒星的气体和尘埃圆盘中探测到这种过量的水蒸气------这在我们的宇宙的时间线范围内是令人难以置信的年轻。这些圆盘位于金牛座恒星形成区域中，距离地球约430光年远。

    天文学家相信行星通过一个被定为“卵石吸积”的过程开始来形成。这涉及小块硅酸盐岩石，尺寸范围从厘米到大约一米，都覆盖着冰。它们被认为在一个行星形成盘的冰冻外部开始它们的生活，典型的是彗星的家园，并最终开始与盘中的气体体验摩擦。据推测这种摩擦假定的剥夺鹅卵石的它们的轨道能量，并造成它们迁徙进圆盘的内部领域。

    随它们聚集在内域，鹅卵石被认为开始彼此碰撞并粘在一起，慢慢的建立成越来越大的天体，直到它们变成原行星为止。从那里，这些原行星的多数更强引力允许它们来以甚至更快的速度扫起鹅卵石，加速它们的生长。这就是长期存在的行星形成理论。

    由詹姆斯韦伯太空望远镜的中红外相机仪器（MIRI）检测到的水蒸气是该过程的证据，因为这种水被预计来自迁移的冰卵石。

    随冰的鹅卵石向内漂移，它们据信会越过一个叫“雪线”的边界。在我们的太阳系中，当行星形成时雪线刚好在木星的当前轨道内。在这个边界内，圆盘内的温度被认为太大水不能作为冰存在。因此，鹅卵石上的覆盖的冰会蒸发，导致一个冷水蒸气注入圆盘的内部。

    这就是中红外相机仪器可以检测到的。

    德克萨斯州立大学的安德烈班扎提在一份声明中说，“韦伯最终揭示了内盘水蒸气和来自外盘冰卵石漂移之间的联系” ，他是一篇描述詹姆斯韦伯太空望远镜观测的新论文的主要作者。

    詹姆斯韦伯太空望远镜总共观测到四个行星形成圆盘------两个圆盘是相当紧凑的，两个是扩展的并没有体验那么多的向内迁移。水蒸气仅被在两个紧凑盘中发现。

    尽管如此，仍有未回答的问题。例如，属于叫金牛CI和金牛IQ系统的两个扩展盘似乎在智利阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）拍摄的图像中炫耀环。这些环如何形成仍被争论，但一种理论是当迁徙的鹅卵石遭遇一个更高压力的区域时它们的向内漂移减慢。这种减慢被认为将鹅卵石包含在这些种压力阱中，迫使它们来表现为环。然而，目前尚不清楚这些环如何从在它们内鹅卵石吸积影响星形成是不清楚的。同样有趣的是，这两个叫金牛GK和金牛HP的盘没有显示出环一样结构的证据。

    另一个开放问题首先涉及吸积的过程------需要什么条件来造成鹅卵石当它们碰撞时粘在一起并不用破碎分开建成更大的天体？

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    支持鹅卵石的向内迁移的詹姆斯韦伯太空望远镜观测提示对这些难题有答案，但我们只需要找出它们是什么。希望詹姆斯韦伯太空望远镜将对这个是关键 - 如果不出意外，这个天文台能帮助巩固行星如何形成的一个更现代的图片。

    纽约瓦萨学院的描述詹姆斯韦伯太空望远镜结果的论文的合著者萨利克在声明中说，“过去，我们有这张非常静态的行星形成图片，几乎就像有这些行星形成出自的孤立区域一样，现在我们实际上有这些区域能与彼此相互作用的证据”。

    萨利克还指出，卵石吸积已经被提出45亿年前在我们的太阳系中发生，这意味着詹姆斯韦伯太空望远镜的观测不只告诉我们系外行星是如何形成的还会告诉我们我们自己的地球是如何诞生的。

    研究结果于周三（11月8日）发表在Astrophysical Journal Letters杂志上.