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翻譯：王婧彧

校對(duì)：申振宇 楊宜修

審閱：李宜驊

美編：張榮娜

后臺(tái)：胡永崴

https://www.space.com/astronomy/exoplanets/james-webb-space-telescope-discovers-planets-forming-in-spaces-most-punishing-environments

詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡深入銀河系觀測(cè)系外行星

圖片來(lái)源：NASA/Adriana Manrique Gutierrez

借助詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST），天文學(xué)家深入觀察了銀河系中一個(gè)輻射最強(qiáng)烈的恒星形成區(qū)域，發(fā)現(xiàn)即使在這種極端惡劣的環(huán)境中，類似地球的宜居行星仍然可能形成。

研究人員表示，這項(xiàng)觀測(cè)擴(kuò)大了宜居世界可能形成的環(huán)境范圍。此前，天文學(xué)家普遍認(rèn)為，這種嚴(yán)苛的環(huán)境不利于行星的形成。賓夕法尼亞州立大學(xué)天文學(xué)與天體物理學(xué)系的研究教授、該研究新論文的合著者康斯坦丁·蓋特曼（Konstantin Getman）表示：“紫外線輻射長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為會(huì)對(duì)圍繞較小恒星形成的行星產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。”

然而，近期的研究結(jié)果表明，即使在這種強(qiáng)烈紫外輻射的條件下，原行星盤——也就是行星誕生的氣體和塵埃旋轉(zhuǎn)環(huán)——依然可以存活并繼續(xù)演化。

“我們無(wú)法回到過(guò)去研究我們今天觀察到的系外行星是如何形成的，”該研究的合著者、德國(guó)海德堡馬普天文研究所的天文學(xué)家瑪麗亞·克勞迪婭·拉米雷斯-塔努斯（María Claudia Ramírez-Tannus）表示。“相反，我們需要尋找它們的年輕伙伴，也就是在強(qiáng)烈紫外輻射極端環(huán)境中的行星形成盤。”

這項(xiàng)研究是對(duì)2023年一項(xiàng)研究的延續(xù)，該研究提出即使在如此嚴(yán)苛的環(huán)境中，類似地球的宜居行星也能形成。此次新研究中，國(guó)際團(tuán)隊(duì)聚焦于“XUE 1”——一個(gè)圍繞年輕恒星的原行星盤，以研究其尺寸、質(zhì)量、溫度和化學(xué)成分。

XUE 1所處的紫外輻射環(huán)境遠(yuǎn)比我們的太陽(yáng)系所經(jīng)歷的任何輻射都要強(qiáng)烈。“事實(shí)上，如果XUE 1被放置在我們太陽(yáng)的位置，它每秒接收到的紫外能量將是現(xiàn)在的十萬(wàn)分之一，”該研究的第一作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)天文學(xué)與天體物理學(xué)系博士后巴伊龍·波蒂利亞·雷韋洛（Bayron Portilla Revelo）表示。

藝術(shù)家繪制的系外行星及其惡劣大氣的想象圖

圖片來(lái)源：David A. Aguilar (CfA)

“一種完全不同的設(shè)想”

JWST是這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵。該望遠(yuǎn)鏡徹底革新了對(duì)受輻射原行星盤的研究，具備了從幾千光年外觀察它們所需的靈敏度和分辨率。“JWST是唯一能觀測(cè)遙遠(yuǎn)區(qū)域中相對(duì)微弱行星盤的儀器”，拉米雷斯-塔努斯表示。

研究團(tuán)隊(duì)利用JWST的中紅外儀器（MIRI），該儀器以中紅外波段觀測(cè)宇宙。他們使用了2023年收集的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并補(bǔ)充了可見光與紅外天文巡天望遠(yuǎn)鏡、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡以及斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的其他數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)使團(tuán)隊(duì)得以觀測(cè)一個(gè)距離我們5500光年的原行星盤的輻射。為了解釋這些觀測(cè)結(jié)果，研究人員首次構(gòu)建了一個(gè)由JWST/MIRI及檔案數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的熱化學(xué)計(jì)算模型，用以模擬XUE 1原行星盤中光、熱和化學(xué)反應(yīng)的相互作用。

熱化學(xué)模型在研究行星形成盤方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭煳膶W(xué)家深入探索可用于行星形成的物質(zhì)數(shù)量等細(xì)節(jié)。“這對(duì)理解像我們太陽(yáng)系這樣的行星系統(tǒng)是如何形成的至關(guān)重要，”波蒂利亞·雷韋洛說(shuō)。

但與此同時(shí)，熱化學(xué)模型的計(jì)算量極大，且需要大量數(shù)據(jù)才能奏效。XUE 1目前仍是一個(gè)研究較少的目標(biāo)，有限的數(shù)據(jù)使其原行星盤難以完善模型。

模型生成了合成光譜，并與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)將模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行匹配，研究人員推斷出了盤的重要特性，包括其溫度、密度和化學(xué)組成。

分析結(jié)果揭示出一個(gè)緊湊、被截?cái)嗟脑行潜P，強(qiáng)烈的紫外輻射顯著改變了其中氣體的溫度及其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。其中一個(gè)最引人注目的發(fā)現(xiàn)是，即使在如此惡劣的環(huán)境中，仍然檢測(cè)到了水的存在——而水是像地球一樣的宜居行星的關(guān)鍵成分之一（譯者注：原文中提到強(qiáng)烈的紫外輻射可以通過(guò)提高外盤的溫度而提高氣態(tài)水的含量，因此強(qiáng)紫外輻射不一定意味著氣態(tài)水會(huì)很少）。

更重要的是，模型還顯示，盤的內(nèi)部區(qū)域——也就是可能形成巖石類宜居行星的區(qū)域——似乎受到了外部紫外輻射的屏蔽。

“我們的模型顯示，盤的最內(nèi)部區(qū)域，也就是類地行星可能形成的地方，似乎沒有受到強(qiáng)紫外輻射的影響，”波蒂利亞·雷韋洛說(shuō)。

“在進(jìn)行觀測(cè)之前，科學(xué)家們對(duì)光譜的預(yù)期與現(xiàn)在觀測(cè)到的樣子是完全不同的，”他補(bǔ)充道。“我們的建模解釋了為什么JWST觀測(cè)到的光譜會(huì)是這個(gè)樣子。雖然來(lái)自鄰近恒星的紫外光對(duì)原行星盤外部區(qū)域——即可能形成類木行星的地方——影響很大，但它對(duì)內(nèi)部區(qū)域的直接影響卻非常小，而這些內(nèi)部區(qū)域正是JWST探測(cè)到的光源所在。”

這一發(fā)現(xiàn)表明，行星的形成比人們之前認(rèn)為的更具韌性，從而擴(kuò)大了可能孕育生命的世界所能存在的環(huán)境范圍，也為我們揭示了銀河系中多樣恒星誕生地的珍貴一瞥。

“通過(guò)研究更多此類區(qū)域，尤其是那些暴露在來(lái)自大質(zhì)量恒星強(qiáng)烈紫外光照下的區(qū)域，我們可以更好地理解這種極端環(huán)境如何影響各種質(zhì)量與大小恒星周圍的行星盤，”蓋特曼說(shuō)。

責(zé)任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

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ALMA觀測(cè)到的原行星盤HL Tauri

圖片來(lái)源：ALMA

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