密西根大学天文学家首次用新的太空望远镜搜索形成行星

行星在尘埃和气体的圆盘中形成，称为原行星盘，在最终组装过程中围绕中央原恒星旋转。

尽管已经对数十个这样的圆盘进行了成像，但到目前为止，只有两颗行星在形成过程中被捕获。现在，天文学家正在将詹姆斯·韦伯太空望远镜上的强大仪器对准原行星盘，试图找到有关行星形成方式的早期线索，以及这些行星如何影响它们的本命盘。

由密歇根大学、亚利桑那大学和维多利亚大学领导的三项研究将JWST的图像与哈勃太空望远镜和智利阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）先前的观测结果相结合。基于辅助观测，该团队使用JWST观测了原行星盘HL Tau，SAO 206462和MWC 758，希望探测到任何可能正在形成的行星。

在发表在《天文学杂志》上的论文中，研究人员将行星形成盘与原行星盘中心年轻恒星周围的气体和尘埃包层之间以前看不见的相互作用拼凑在一起。

捕捉一颗行星

由密西根大学天文学家加布里埃尔·库尼奥（Gabriele Cugno）领导的密西根大学研究将JWST瞄准了一颗名为SAO 206462的原恒星周围的圆盘。在那里，研究人员可能在原行星盘中发现了一颗正在形成的行星候选者，但这不是他们期望找到的行星。

“一些模拟表明，这颗行星应该在圆盘内，质量大，大，热，明亮。但是我们没有找到它。这意味着要么这颗行星比我们想象的要冷得多，要么它可能被一些阻止我们看到它的材料所掩盖，“库尼奥说，他也是这三篇论文的合著者。“我们发现的是一颗不同的行星候选者，但我们不能100%确定它是一颗行星还是一颗微弱的背景恒星或星系污染了我们的形象。未来的观察将帮助我们准确理解我们正在看的东西。

天文学家过去曾观测过这个圆盘，特别是哈勃太空望远镜、斯巴鲁望远镜、甚大望远镜和ALMA。这些观测结果显示了一个由两个强螺旋组成的圆盘，它们很可能是由一颗正在形成的行星发射的。UM团队希望找到的行星是一种称为气态巨行星的行星，主要由氢和氦组成，类似于我们太阳系中的木星。

“问题是，无论我们试图探测到什么，都是比恒星暗数十万甚至数百万倍，”Cugno说。“这就像试图探测灯塔旁边的一个小灯泡一样。

为了更仔细地观察磁盘，该团队在JWST上使用了一种名为NIRCam的仪器。NIRCam探测红外光，天文学家使用该仪器采用一种称为角差分成像的技术。这种技术既可用于检测行星的热辐射，就像该团队为探测行星候选者所做的那样，也可以用于检测与物质落到行星上并以高速撞击其表面相关的特定发射线。

“当物质落到行星上时，它会在表面震动并发出特定波长的发射线，”Cugno说。“我们使用一组窄带过滤器来检测这种吸积。这以前是在光学波长的地面上完成的，但这是第一次用JWST在红外线中完成。

对行星的“原材料”进行成像

由天文学学生Camryn Mullin领导的维多利亚大学论文描述了围绕年轻恒星HL Tau的圆盘图像。

“HL Tau是我们调查中最年轻的系统，并且仍然被密集的尘埃和气体流向盘所包围，”所有三项研究的合著者Mullin说。“我们对JWST可以看到周围物质的细节水平感到惊讶，但不幸的是，它掩盖了来自潜在行星的任何信号。

HL Tau的圆盘以有几个太阳系尺度的环和间隙而闻名，这些环和间隙可能藏有行星。

“虽然有大量证据表明正在形成行星，但HL Tau太年轻了，有太多的尘埃无法直接看到行星，”亚利桑那大学斯图尔德天文台（University of Arizona Steward Observatory）寻找行星形成的观测活动的首席研究员和天文学家Jarron Leisenring说。“我们已经开始研究其他具有已知行星的年轻系统，以帮助形成更完整的画面。

然而，令研究小组惊讶的是，JWST揭示了另一个不同特征的意想不到的细节：原恒星包层，根据Leisenring的说法，它本质上是围绕着刚刚开始合并的年轻恒星的密集尘埃和气体流入。在重力的影响下，来自星际介质的物质向内落到恒星和圆盘上，在那里它作为行星及其前体的原材料。

由美国宇航局哈勃/萨根研究员凯文·瓦格纳（Kevin Wagner）领导的UArizona研究检查了MWC 758的原行星盘。与SAO 206462类似，UArizona领导的团队先前的观测显示，圆盘中形成了旋臂，暗示着一颗巨大的行星围绕其主星运行。

研究人员说，虽然在最近的观测中没有在圆盘中检测到新的行星，但这种灵敏度是开创性的，因为它允许他们对可疑的行星施加最严格的限制。首先，研究结果排除了MWC 758外部区域存在其他行星的可能性，这与驱动旋臂的单个巨型行星一致。

“在所有三个系统中都没有检测到行星，这告诉我们，导致间隙和旋臂的行星要么离它们的宿主恒星太近，要么太暗而无法用JWST看到，”瓦格纳说，他是这三项研究的合著者。“如果后者是真的，它告诉我们它们的质量相对较低，温度低，被灰尘笼罩，或者是三者的某种组合 – 就像MWC 758的情况一样。

对形成行星的探索仍在继续

在行星形成过程中捕捉行星很重要，因为天文学家不仅可以收集有关形成过程的信息，还可以收集化学元素如何在整个行星系统中分布的信息。

“只有大约15%的恒星像太阳一样拥有像木星这样的行星。了解它们如何形成和演化，并完善我们的理论非常重要，“UM天文学家，所有三项研究的合著者UM Michael Meyer说。“一些天文学家认为，这些气态巨行星调节着向在圆盘内部形成的岩石行星输送水。

迈耶说，了解这些圆盘是如何被气态巨行星塑造的，将有助于天文学家最终了解原行星圆盘的性质和演化，这些原行星圆盘后来产生了岩石状的类地行星。

“基本上，在我们以足够高的分辨率和灵敏度观察到的每个圆盘中，我们都看到了大结构，如间隙，环，在SAO 206462的情况下，螺旋，”Cugno说。“大多数（如果不是全部）这些结构都可以通过形成行星与盘状物质相互作用来解释，但存在其他不涉及巨行星存在的解释。

如果我们最终能够看到这些行星，我们就可以将一些结构与形成的伴星联系起来，并在更晚的阶段将形成过程与其他系统的特性联系起来。我们最终可以把这些点连接起来，了解行星和行星系统作为一个整体是如何演变的。