詹姆斯韦伯太空望远镜加入狩猎新生系外行星

By Robert Lea

2024/4/1

James Webb Space Telescope

詹姆斯韦伯太空望远镜很快的发现了一颗正在形成的系外行星的迹象------但这并不是天文学家已经期望来看的那种。

艺术家的围绕一颗婴儿恒星形成的气态巨行星的描画。 (Image credit: ESO/L. Calçada)

天文学家正在用詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）狩猎围绕婴儿恒星处在形成过程中的行星。强大的太空望远镜很快的交了货，尽管以出乎意料的方式。

这些婴儿行星在叫原行星盘的漩涡气体和尘埃块中成形，随它们这样做聚集更多的质量。人类已经成像了许多这些原行星盘，但迄今为止天文学家在它们内仅瞥过几次正在形成的行星。

现在，由密歇根大学、亚利桑那大学和维多利亚大学的科学家领导的一个团队将詹姆斯韦伯太空望远镜的灵敏红外仪器的力量添加到这一乞求。该团队用了大范围来观测原行星盘金牛座HL（HL Tau）、SAO 206462和MWC 758，并将观测结果添加到由哈勃太空望远镜和阿塔卡马大型毫米阵列（ALMA）收集的数据希望能发现一颗行星正在形成。

这项调查还揭示迄今为止从未见过原行星盘和更靠近位于这些盘的中心的恒星气体的包层之间的相互作用。

团队成员、密歇根大学天文学家嘎布列勒库格诺在一份声明中说， “基本上，在我们用足够高的分辨率和灵敏度观测的每一个盘中，我们已经看到了巨大的结构如间隙、环，在SAO 206462的案例中螺旋。这些结构中大多数（如果不是全部的话）能被用形成行星与盘物质相互作用解释，但不涉及巨行星的存在的其他解释存在”。

 “如果我们设法最终来看到这些行星，我们能将一些结构与形成的同伴联系并将形成过程相关到在远更晚阶段的其他系统的属性。我们最终能联系这些点并了解行星和行星系统如何作为一个整体演变” 。

发现一颗意想不到的行星

库格诺领导了一个詹姆斯韦伯太空望远镜围绕原恒星SAO206462原行星盘的调查探究。一个原恒星是一种还没有积累足够质量来触发在它的核中氢到氦的聚变的恒星体，这一过程定义一个像太阳一样成熟的主序星。

在围绕SAO 206462的原行星盘中，研究小组发现了一颗正在形成的行星的信号，但有一个转折：这不是他们正在期望来看到的。

库格诺继续说道：“几次仿真提示这颗行星应该在圆盘内，大质量、大、热和明亮。但我们没有发现它。这意味着要么这颗行星比我们想的远更冷，要么它可能被一些防止我们看到它的物质模糊。我们已经发现的是一颗不同的候选行星，但我们不能用100%确定性告诉这是一颗行星还是一颗微弱的背景恒星或星系污染着我们的图像”。

“未来的观测将帮助我们准确的了解我们正在观察在的” 。

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围绕婴儿恒星SAO 206462的原行星盘中的螺旋臂。(Image credit: NAOJ/Subaru)

这不是SAO 206462的盘已经第一次被带到焦点。哈勃、阿塔卡玛和非常大望远镜（VLT）已经都研究过这个原行星盘，这些观测结果揭示它由两个强大的螺旋组成。

这些螺旋很可能被一颗正在形成的行星创造。然而，在用詹姆斯韦伯太空望远镜寻找这颗行星之前，该团队已经期待了来看到一颗主要由氦组成的气态巨行星如土星或木星。

库格诺说，“问题是凡是我们正在试图来探测的都比恒星更暗数十万倍如果不是数百万倍。这就像试图来探测灯塔旁边的一个小光的灯泡一样” 。

詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外相机（NIRCam）允许库格诺和同事能够更深钻研进SAO 206462的圆盘，并探测来自该行星的热能，其中一些热能随物质以高速落在它上释放。

库格诺说，“当物质落到行星上时，它冲击在表面上并发出一个特定波长的发射线。我们用一组窄带滤波器来尝试检测这种吸积。以前在地面上这以光学波长已经被做过，但这是它已经被詹姆斯韦伯太空望远镜首次在红外中做了” 。

这表明一颗行星被地球和太阳之间距离的300倍与中心原恒星分隔开。气态巨星通常比这远更靠近它们的恒星形成，一些气态巨星在原行星盘已经消散后向外迁移。 

詹姆斯韦伯太空望远镜的近红外相机的结果排除了星盘中有一个质量大于木星2.2倍的天体，库格诺及其同事得出如果有一颗气态巨星雕刻出SAO 206462原行星盘的整齐螺旋它一定是非常冷的结论。

最年轻的恒星有行星形成的刚好材料

随库格诺和同事们观测围绕SAO 206462的圆盘，维多利亚大学的研究人员卡姆林牧林（Camryn Mullin）用詹姆斯韦伯太空望远镜来研究恒星金牛座HL。这是一个位于距离地球约450光年的婴儿，已经被许多望远镜调查过。

有一个不超过100万年的年龄估计（与我们46亿岁老的中年太阳相比），金牛座HL是詹姆斯韦伯太空望远镜原行星盘调查中最年轻的恒星。

牧林说，“金牛座HL是我们勘察中最年轻的系统，仍然被落在圆盘上的一个致密的尘埃和气体入流包围。我们被用詹姆斯韦伯太空望远镜能够看到这种周围物质的细节水平惊讶，但不幸的是它模糊来自潜在行星的任何信号” 。

众所周知金牛座HL的圆盘特征有许多间隙和可能宿主行星的太阳系大小的环。然而，因为盘多被包有尘埃和系统的年轻，甚至詹姆斯韦伯太空望远镜也不太可能直接的看到围绕金牛座HL的行星。

围绕 金牛座HL尘埃盘的阿塔卡马图像。 (Image credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

该团队能够用詹姆斯韦伯太空望远镜分辨一种叫一个原恒星包络的特征。这代表正在开始围绕金牛座HL聚结的尘埃和气体的密集入流。这些原材料正在从恒星之间的恒星际介质、气体和尘埃流到恒星和它的圆盘，最终将用作为来诞生行星的原材料。

狩猎正在形成的行星继续！

亚利桑那大学史都华天文台的美国宇航局哈勃/萨甘研究员凯文瓦格纳用詹姆斯韦伯太空望远镜检查了MWC 758的原行星盘。这是另一个有螺旋臂的可能表明存在一颗大质量行星的原行星盘。

这颗可能的行星和在团队的研究中任何其它的不能来体现的，而詹姆斯韦伯太空望远镜的灵敏度和力量确实允许他们在原行星盘内任何潜在的形成行星上放上约束。这包括排除了在远离MWC 758恒星在圆盘外围有行星的可能性。

瓦格纳说，“在所有三个系统中缺乏检测到的行星告诉我们，造成间隙和螺旋臂的行星要么离它们的宿主恒星太近，要么太微弱不能被用詹姆斯韦伯太空望远镜看到。如果后者是真的，它告诉我们它们是相对低质量的、低温度、被笼罩在尘埃中，或者是这三者的某种组合------就像MWC 758例子中的一样” 。

围绕MWC 75行星形成盘的图像。(Image credit: ESO/A. Garufi et al.; R. Dong et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

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研究人员说，像这样围绕年轻恒星行星形成的调查探究在了解物质如何跨年轻系统中分布以及像太阳系成的一样多成熟聚合是至关重要的。

团队成员、密歇根大学天文学家迈克尔·迈耶说，“仅约15%的像太阳一样的恒星有像木星一样的行星。来了解它们如何形成和演化并完善我们的理论真的是重要的。一些天文学家认为，这些气态巨行星调节将水交付给在圆盘内部形成的岩石行星”。

因此，这项调查可能最终对了解地球如何形成了以及它如何变得来支持生命是至关重要的。

该团队的研究被上周发表在《天文学杂志（The Astronomical Journal. ）》上的三篇论文讨论。