JWST揭示行星形成的时间竞赛：原行星盘气体消散之谜

行星形成的时间竞赛

行星诞生于年轻恒星周围由气体和尘埃组成的原行星盘，但盘中供行星生长的气体并不会永远存在。NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）最新观测为理解这些气体如何逃逸、以及年轻行星系统演化过程中这一过程如何变化，提供了全新视角。这项研究由亚利桑那大学的Naman Bajaj领导，SETI研究所科学家Uma Gorti共同参与，对72颗年轻的类太阳恒星及其原行星盘进行了分析，是迄今使用JWST开展的最大规模行星形成研究之一。

原行星盘：行星形成的摇篮

我们的太阳系如今已约45亿岁，大部分空间近乎空旷。但在最初几百万年里，太阳周围曾环绕着厚厚的原行星盘，其中气体含量约为尘埃的100倍。这些气体后来大多消失殆尽。弄清气体何时以及如何消失至关重要，因为盘中的气体是木星、土星这类巨行星的主要原料。如果气体过早就散失，这些行星可能来不及积累厚重的大气层。

JWST追踪气体逃逸的踪迹

为了研究这一过程，Bajaj团队使用了JWST中红外仪器（MIRI）的档案数据。这72个系统分别处于行星系统早期生命的不同阶段，组合起来就像电影中的一帧帧画面，帮助研究人员拼凑出盘消散随时间变化的完整图景。

早在2020年，该论文第二作者、Bajaj的导师Ilaria Pascucci曾带领团队开展类似研究，试图理解喷流和风如何演化。当时在JWST之前，他们无法直接观测分子氢，但预测了分子风的存在，并认为这些风在早期可能足够强大，足以阻挡X射线光子。如今，通过直接追踪分子氢，Bajaj团队用JWST观测证实了这些预测。

研究团队聚焦于两种逃逸气体的迹象：分子氢（原行星盘中最常见的分子）和电离氖。凭借JWST的高灵敏度和锐利视野，研究人员能够区分宽广的分子氢风与以氖为标志的喷流和风。

从磁场驱动的风到光蒸发

观测结果显示，在仍将物质吸积到恒星上的年轻系统中，存在强烈的喷流以及由分子和原子气体组成的宽广风。这些外流与科学家预期的磁场驱动风相符——气体可以沿着磁力线运动，远离盘面，同时带走质量和角动量。

随着系统老化，落入恒星的材料减少，喷流变弱，风则主要以原子气体为主。此时，恒星的高能辐射能够穿透逐渐稀薄的物质，加热盘气体直至其逃逸，这一过程称为光蒸发。Gorti数十年来一直研究原行星盘的演化和消散，包括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观测将她的理论工作与天文学家如今在数十个行星系统中看到的现象联系起来，表明随着盘老化、磁驱动喷流和风减弱，光蒸发变得越来越重要。

没有单一机制主导盘消散

研究结果表明，没有任何单一过程能单独控制行星形成盘的消失。相反，行星系统似乎经历一个转变：早期阶段以强大的磁驱动喷流和风为主，后期阶段则以原子风（包括光蒸发风）为主。这一转变直接影响行星的形成方式。

Bajaj表示：“行星形成因此是一场与时间的赛跑。像木星这样的气态巨行星必须在盘仍然足够厚实时组装起庞大大气层，否则风和喷流就会把原材料带走，飘散到太空中。”

大规模观测的发现

研究在72个盘中的66个探测到了分子氢和电离氖的延伸发射。研究人员在46个系统中看到了锥形的分子氢风，在40个系统中看到了快速移动的氖喷流。每个带有氖喷流的系统也都显示出分子氢或氧所追踪的风的迹象。

这些发现建立在同一团队早期工作的基础上。2024年，Bajaj、Gorti及其同事曾利用JWST拍摄到年轻恒星T Cha周围行星形成盘气体被带走的图像，证明JWST可以单独研究单个系统的盘消散。而这项新研究将这一方法扩展到数十颗年轻恒星，展示了喷流、分子风和原子风的组合如何随行星系统年龄增长而转变。

未来展望：量化气体流失

下一步目标是精确测量这些风随时间移除了多少气体，以及逃逸物质来自盘中的哪个区域。这些测量不仅有助于科学家了解行星形成窗口关闭的速度，还能揭示在气体耗尽之前，不同类型行星可以在哪些位置形成。

该论文以“JWST/MIRI Reveals the Evolution from Molecular to Atomic Disk Winds”为题发表在《天文期刊》上，为理解行星形成的时间尺度提供了重要约束。随着JWST继续观测更多年轻恒星系统，天文学家有望拼凑出更完整的行星诞生图景，回答太阳系乃至所有行星系统如何演化这一根本问题。

原标题：JWST reveals a race against time for forming planets。 来源：phys.org。

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