美国国家航空航天局的韦伯发现行星形成盘在早期宇宙中寿命更长 _美国

据美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心：美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜刚刚解决了一个难题，证明了20多年前该机构哈勃太空望远镜的一项有争议的发现。
2003年，哈勃望远镜提供了一个证据，证明一颗巨大的行星围绕着一颗非常古老的恒星，几乎和宇宙一样古老。这样的恒星只含有少量较重的元素，这些元素是行星的组成部分。这意味着，一些行星的形成发生在我们的宇宙非常年轻的时候，这些行星有时间在它们的原始圆盘内形成并长大，甚至比木星还大。但是怎么做？这令人费解。
为了回答这个问题，研究人员利用韦伯研究了附近星系中的恒星，该星系与早期宇宙非常相似，缺乏大量重元素。他们发现，不仅那里的一些恒星有行星形成盘，而且这些盘的寿命比我们银河系中年轻恒星周围的盘更长。
荷兰诺德韦克欧洲空间研究与技术中心的研究负责人Guido De Marchi说：“通过韦伯，我们对哈勃望远镜的观测结果有了非常有力的证实，我们必须重新思考如何模拟年轻宇宙中的行星形成和早期演化。” 。
图片A：NGC 346中的原行星盘（NIRCam图片）

这是詹姆斯·韦伯太空望远镜拍摄的NGC 346的图像，NGC 346是小麦哲伦星云中的一个巨大星团，是一个矮星系，是银河系最近的邻居之一。NGC 346星团相对缺乏比氢和氦重的元素，因此可以作为研究早期遥远宇宙中具有类似条件的恒星环境的附近代理。图像上覆盖的十个黄色小圆圈表示本研究中调查的十颗恒星的位置。图片：美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、STScI、奥利维亚·C·琼斯（英国空中交通管制局）、吉多·德·马尔奇（欧洲航天与技术中心）、玛格丽特·梅克斯纳（美国太空总署）
早期不同的环境
在早期宇宙中，恒星主要由氢和氦形成，很少有碳和铁等较重的元素，这些元素后来通过超新星爆炸形成。
“目前的模型预测，由于较重的元素很少，恒星周围的圆盘寿命很短，事实上，行星不能长得很大，”韦伯研究的联合研究员、图森国家科学基金会NOIRLab双子座天文台的首席科学家Elena Sabbi说。“但哈勃确实看到了这些行星，所以如果模型不正确，圆盘可以活得更久怎么办？”
为了验证这一想法，科学家们在小麦哲伦星云上训练了韦伯，这是一个矮星系，是银河系最近的邻居之一。特别是，他们研究了巨大的恒星形成星团NGC 346，该星团也相对缺乏较重的元素。该星团是研究早期遥远宇宙中具有类似条件的恒星环境的附近代理。
2000年代中期，哈勃望远镜对NGC 346的观测显示，许多年龄在2000万至3000万年左右的恒星周围似乎仍有行星形成盘。这违背了人们的传统观念，即这种圆盘会在200万或300万年后消散。
“哈勃的发现是有争议的，不仅违背了我们银河系的经验证据，也违背了当前的模型，”De Marchi说。“这很有趣，但如果没有方法获得这些恒星的光谱，我们就无法真正确定我们是否目睹了真正的吸积和圆盘的存在，或者只是一些人为的影响。”
现在，由于韦伯的灵敏度和分辨率，科学家们首次获得了附近星系中形成类太阳恒星及其周围环境的光谱。
德马尔奇说：“我们看到这些恒星确实被圆盘包围，即使在相对较老的2000万或3000万年的年龄，它们仍在吞噬物质。” 。“这也意味着，行星在这些恒星周围形成和生长的时间比在我们银河系附近的恒星形成区要长。”
图B：NGC 346光谱中的原行星盘（NIRSpec）
题为“NGC 346中的恒星，原行星盘中的分子氢，NIRSpec微光闸阵列光谱”的图形显示了恒星及其环境（以黄色绘制）的2.02至2.37微米光的亮度，以及仅恒星环境（以粉红色绘制）的亮度与波长（以微米为单位）的xy图。从2.05到2.07和2.16到2.18的两个波段以红色突出显示，并标记为热原子氦He 。蓝色2.11至2.13的带标记为冷分子氢H2 。恒星加环境（黄色）的光谱在2.06和2.17微米（He）以及2.12微米（H）处有明显的峰值。恒星环境的光谱（粉红色）也在2.06和2.17微米（He）处有峰值，但在2.12微米（H）处没有峰值。为了可读性，这两个光谱垂直偏移。插图显示，它们以相同的垂直对齐方式绘制：恒星加环境光谱上的氦峰略高于仅环境光谱的氦峰。

右边是顶部和底部的比较。这种比较显示，来自恒星的冷分子氢有一个很大的峰值，但不是来自其星云环境。此外，氢原子在恒星上显示出更大的峰值。这表明恒星周围存在一个原行星盘。这些数据是用詹姆斯·韦伯太空望远镜的近红外光谱仪（NIRSpec）仪器上的微型快门阵列拍摄的。插图：美国国家航空航天局、欧洲航天局、加拿大航天局、约瑟夫·奥姆斯特德（STScI）
一种新的思维方式
这一发现驳斥了之前的理论预测，即当星盘周围的气体中重元素很少时，恒星会很快吹走星盘。因此，磁盘的寿命将非常短，甚至不到一百万年。但是，如果一个圆盘在恒星周围停留的时间不足以让尘埃颗粒粘在一起，鹅卵石形成并成为行星的核心，那么行星是如何形成的呢？
研究人员解释说，行星形成盘在较重元素稀缺的环境中持续存在可能有两种不同的机制，甚至是一种组合。
首先，为了能够吹走星盘，恒星会施加辐射压力。为了使这种压力有效，比氢和氦重的元素必须存在于气体中。但是，大质量星团NGC 346只有太阳化学成分中较重元素的10%左右。也许这个星团中的恒星需要更长的时间来分散它的星盘。
第二种可能性是，如果一颗类日恒星在较重元素很少的情况下形成，它必须从更大的气体云开始。更大的气体云会产生更大的圆盘。因此，圆盘中有更多的质量，因此即使辐射压力以相同的方式起作用，也需要更长的时间才能吹走圆盘。
Sabbi说：“随着恒星周围物质的增加，吸积持续的时间会更长。这些圆盘消失的时间要长十倍。这对行星的形成方式以及在这些不同环境中可以拥有的系统架构类型都有影响。这太令人兴奋了。”
该科学团队的论文发表在12月16日的《天体物理学杂志》上。
图片C:NGC 346:哈勃和韦伯观测

大质量星团NGC 346的韦伯图像。韦布望远镜的视图，在黑色背景下呈粉红色和橙色，与哈勃望远镜拍摄的同一星团的图像相比，点缀着更少的恒星。这些星星是白色和粉红色的。韦伯穿过星团的云层，揭示了更多的结构，看起来像扭曲的纤维。HubbleWebb
詹姆斯·韦伯太空望远镜是世界上首屈一指的空间科学天文台。韦伯正在解开太阳系的谜团，展望其他恒星周围的遥远世界，探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。韦伯是美国国家航空航天局及其合作伙伴欧洲航天局和加拿大航天局领导的一个国际项目。
哈勃太空望远镜已经运行了三十多年，并继续取得突破性的发现，这些发现塑造了我们对宇宙的基本理解。哈勃是美国国家航空航天局和欧洲航天局（ESA）之间的国际合作项目。美国国家航空航天局位于格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理望远镜和任务操作。总部位于丹佛的洛克希德·马丁航天公司也支持戈达德的任务操作。巴尔的摩的太空望远镜科学研究所由天文学研究大学协会运营，为美国国家航空航天局进行哈勃科学操作。