其他恒星系統中是否也散布著凍結的水？天文學家早就預測答案是肯定的，部分依據是此前探測到的水蒸氣（即水的氣態形式），以及水在我們太陽系中的廣泛存在。

如今，這一猜測有了確鑿證據：研究人員利用NASA詹姆斯·韋布空間望遠鏡獲取的光譜數據，首次在距離地球155光年的一顆類太陽恒星周圍的塵埃碎片盤中確認了結晶水冰的存在。（“水冰”這一術語明確指出其成分，因為宇宙中還存在許多其他類型的冰，例如二氧化碳冰，也被稱為“干冰”。）早在2008年，NASA退役的斯皮策空間望遠鏡就曾暗示該系統中可能存在凍結的水。

“韋布不僅明確探測到了水冰，而且是結晶水冰，這類冰在土星的環和我們太陽系的柯伊伯帶冰體中也有發現。”這項新研究的第一作者、約翰斯·霍普金斯大學的助理研究科學家謝辰（Chen Xie）說。

韋布探測到的所有水冰都與碎片盤中彌散的細小塵埃顆粒綁定在一起，就像極小的“臟雪球”。該研究成果已于周三發表在《自然》期刊上。

天文學家們已經等待這種確鑿的數據幾十年了。“25年前我還是研究生的時候，我的導師就說碎片盤中應該存在冰，但在韋布之前，我們沒有靈敏度足夠的儀器去觀測這些東西。”論文合著者、位于巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所天文學家克里斯汀·陳（Christine Chen）表示。“最令人震撼的是，這些數據和韋布近期對太陽系柯伊伯帶天體的觀測結果非常相似。”

水冰是年輕恒星周圍盤狀結構中的重要組成成分——它深刻影響著巨型行星的形成過程，也可能通過彗星和小行星等小型天體“輸送”到已經成形的類地行星上。如今，研究人員通過韋布確認了水冰的存在，這一發現為研究這些過程在其他行星系統中如何展開打開了新大門。

圖片說明：恒星HD 181327周圍的碎片盤（藝術家概念圖）

這張插畫展示了類太陽恒星HD 181327及其周圍的碎片盤。恒星位于右上方，白色明亮，周圍是模糊的藍色暈圈。它被一個巨大的橢圓形碎片盤環繞，該盤在右側被截斷，在星體與盤之間有一個巨大的空腔。碎片盤以淺灰色呈現，上方和左側是一些較細、分散的顆粒，底部則顯得更朦朧、更像煙霧。背景是黑色太空。圖左下角標注“藝術家概念圖”。

韋布望遠鏡首次在圍繞類太陽恒星的塵埃碎片盤中確認了結晶水冰的存在。這些冰全部與細小塵粒綁定在一起。大部分水冰出現在遠離恒星、溫度最低的區域，越靠近恒星的地方，水冰越少。

圖片來源：NASA、ESA、CSA、Ralf Crawford（STScI）

巖石、塵埃與冰的高速碰撞

這顆恒星HD 181327遠比我們的太陽年輕，年齡估計為2300萬年，而太陽已有46億年歷史。它的質量略高于太陽，溫度也更高，因此形成了一個略大的行星系統。

韋布的觀測結果確認了恒星與其碎片盤之間存在一個顯著的空隙——一個幾乎無塵的廣闊區域。在外圍，該碎片盤與我們太陽系的柯伊伯帶相似——那里聚集著矮行星、彗星和其他冰與巖石混合的天體，這些天體有時還會彼此碰撞。數十億年前，我們的柯伊伯帶很可能也與HD 181327的碎片盤類似。

“HD 181327是一個非常活躍的系統。”謝辰表示，“其碎片盤中有持續不斷的碰撞。當這些冰體相撞時，會釋放出微小的塵埃狀水冰顆粒，正好適合被韋布探測到。”

凍結的水——幾乎無處不在

水冰在這個系統中并不是均勻分布的。絕大多數水冰集中在離恒星最遠、最寒冷的區域。“碎片盤的外部區域中，水冰含量超過20%。”謝辰說。

越靠近恒星，檢測到的水冰越少。在碎片盤的中間區域，韋布探測到了約8%的水冰，這里冰的生成速率可能略高于其被破壞的速度。而在最靠近恒星的區域，韋布幾乎未探測到水冰。可能是恒星的紫外光將水冰蒸發了。也可能是被稱為“行星胚”（planetesimals）的巖石天體將水冰“封存”在其內部，而韋布無法探測到它們。

這一研究團隊以及其他許多天文學家將繼續尋找和研究銀河系中更多碎片盤及行星形成系統中的水冰。“水冰的存在有助于行星的形成，”謝辰指出，“而這些冰質材料也可能在幾億年內被‘運送’到最終形成的類地行星上。”

這項研究使用的是韋布望遠鏡的NIRSpec（近紅外光譜儀），它對極其微弱的塵埃顆粒有極高的靈敏度，只有在太空中才能進行這樣的觀測。

參考

https://science.nasa.gov/missions/webb/another-first-nasa-webb-identifies-frozen-water-in-young-star-system/