JWST揭示了行星系统如何形成的新事物

在宇宙中，每秒钟都有3000多颗新的恒星在尘埃和气体云的引力坍缩中形成。之后，剩余的尘埃和气体沉降到一个旋转的圆盘中，为恒星的生长提供动力，最终形成行星 —— 也就是所谓的原行星盘。虽然这个被称为星云假说的模型是最被广泛接受的理论，但恒星和行星系统形成的确切过程还没有被完全理解。揭示这些过程是詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的众多目标之一。

在最近的一项研究中，由亚利桑那大学的研究人员领导的一个国际天文学家团队，在马克斯普朗克天文研究所（MPIA）的科学家的支持下，使用了JWST的先进红外光学系统来检查新恒星周围的原行星盘。这些观测提供了对随着时间的推移塑造和塑造原行星盘的气流的最详细的见解。它们还证实了科学家们长期以来的理论，并为我们了解大约46亿年前太阳系的样子提供了线索。

这项研究由亚利桑那大学月球和行星实验室（LPL）的天体物理学和行星科学教授伊拉里亚·帕斯库奇（Ilaria Pascucci）领导。来自太空望远镜科学研究所（STScI）、巴黎天文台、国家光学红外天文学研究实验室（NOIRLab）、SETI研究所卡尔萨根中心、马克斯普朗克天文学研究所和多所大学的研究人员也加入了她的行列。描述他们发现的论文最近发表在《自然天文学》上。

为了让年轻的恒星成长，它们必须从周围的原行星盘中吸收气体。要做到这一点，气体必须失去角动量（惯性）；否则，它将始终围绕恒星运行，永远不会吸积到恒星上。然而，导致这种情况发生的机制一直是天文学家争论的主题。近年来，磁驱动的圆盘风作为一种可能的机制出现了。这些“风”主要由磁场提供动力，以每秒数十公里的速度将气体流从行星形成盘送入太空。

这导致它失去角动量，允许剩余的气体向内落向恒星。在他们的研究中，研究人员选择了四个原行星盘系统，从地球上看，它们看起来是侧面的。利用韦伯的近红外光谱仪（NIRSpec），研究小组可以通过调整仪器来探测处于特定过渡状态的不同原子和分子，从而追踪不同的风层。研究小组还利用光谱仪的积分场单元（IFU）获得了整个视场的空间分辨光谱信息。

这使得研究小组能够以前所未有的细节追踪圆盘风，并揭示了一个复杂的三维分层结构：一个中央射流嵌套在一个圆锥形的风包内，距离越来越远。研究小组还注意到，在所有四个原行星盘的锥体内部都有一个明显的中心洞。根据帕斯库奇的说法，工作中最重要的过程之一是恒星如何从周围的圆盘吸积物质：

“一颗恒星如何吸积质量，对周围的圆盘如何随着时间的推移演变有很大的影响，包括后来行星形成的方式。这种情况发生的具体方式尚不清楚，但我们认为，由磁场驱动的风在大部分磁盘表面可能起着非常重要的作用。”

然而，其他的过程也负责形成原行星盘。其中包括“X风”，即恒星的磁场将圆盘内缘的物质向外推。还有“热风”，它的速度要慢得多，是由强烈的星光侵蚀它的外缘造成的。JWST的高灵敏度和高分辨率非常适合于区分磁场驱动风、X风和热风。这些观测揭示了以前从未见过的各种风成分的嵌套结构。

磁驱动风和X风之间的一个关键区别是它们的位置更远，覆盖范围更广。这些风覆盖的区域与我们太阳系内部的岩石行星相对应，大致位于地球和火星之间。它们也比热风延伸得更远，达到地球和太阳之间距离的数百倍。虽然天文学家以前基于无线电波长的干涉观测发现了这些风的观测证据，但他们无法对整个圆盘进行详细成像，以确定风的形态。

相比之下，新的JWST观测揭示了一个嵌套的结构和形态，与天文学家对磁驱动盘风的预测相匹配。展望未来，帕斯库奇和她的团队希望将这些观察扩展到更多的原行星盘，以了解观察到的圆盘风结构有多普遍以及它们是如何演变的。

帕斯库奇说：“我们的观察强烈地表明，我们已经获得了第一张详细的风图像，可以消除角动量，解决恒星和行星系统如何形成的长期问题。我们相信它们可能很常见，但有四个物体，很难说。我们想用JWST获得更大的样本，然后看看我们是否能探测到恒星聚集和行星形成时这些风的变化。”

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