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美國國家航空航天局的韋伯發現行星形成盤在早期宇宙中壽命更長

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據美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心：美國國家航空航天局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡剛剛解決了一個難題 ， 證明了20多年前該機構哈勃太空望遠鏡的一項有爭議的發現 。
2003年，哈勃望遠鏡提供了一個證據，證明一顆巨大的行星圍繞著一顆非常古老的恒星 ， 幾乎和宇宙一樣古老 。這樣的恒星只含有少量較重的元素，這些元素是行星的組成部分 。這意味著，一些行星的形成發生在我們的宇宙非常年輕的時候，這些行星有時間在它們的原始圓盤內形成并長大，甚至比木星還大 。但是怎么做？這令人費解 。
為了回答這個問題，研究人員利用韋伯研究了附近星系中的恒星，該星系與早期宇宙非常相似，缺乏大量重元素 。他們發現，不僅那里的一些恒星有行星形成盤，而且這些盤的壽命比我們銀河系中年輕恒星周圍的盤更長 。
荷蘭諾德韋克歐洲空間研究與技術中心的研究負責人Guido De Marchi說：“通過韋伯，我們對哈勃望遠鏡的觀測結果有了非常有力的證實，我們必須重新思考如何模擬年輕宇宙中的行星形成和早期演化 。” 。
圖片A：NGC 346中的原行星盤（NIRCam圖片）

美國國家航空航天局的韋伯發現行星形成盤在早期宇宙中壽命更長


這是詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的NGC 346的圖像，NGC 346是小麥哲倫星云中的一個巨大星團 ， 是一個矮星系，是銀河系最近的鄰居之一 。NGC 346星團相對缺乏比氫和氦重的元素，因此可以作為研究早期遙遠宇宙中具有類似條件的恒星環境的附近代理 。圖像上覆蓋的十個黃色小圓圈表示本研究中調查的十顆恒星的位置 。圖片：美國國家航空航天局、歐洲航天局、加拿大航天局、STScI、奧利維亞·C·瓊斯（英國空中交通管制局）、吉多·德·馬爾奇（歐洲航天與技術中心）、瑪格麗特·梅克斯納（美國太空總署）
早期不同的環境
在早期宇宙中，恒星主要由氫和氦形成 ， 很少有碳和鐵等較重的元素，這些元素后來通過超新星爆炸形成 。
“目前的模型預測，由于較重的元素很少，恒星周圍的圓盤壽命很短 ， 事實上，行星不能長得很大，”韋伯研究的聯合研究員、圖森國家科學基金會NOIRLab雙子座天文臺的首席科學家Elena Sabbi說 。“但哈勃確實看到了這些行星 ， 所以如果模型不正確，圓盤可以活得更久怎么辦？”
為了驗證這一想法 ， 科學家們在小麥哲倫星云上訓練了韋伯，這是一個矮星系 ， 是銀河系最近的鄰居之一 。特別是，他們研究了巨大的恒星形成星團NGC 346，該星團也相對缺乏較重的元素 。該星團是研究早期遙遠宇宙中具有類似條件的恒星環境的附近代理 。
2000年代中期，哈勃望遠鏡對NGC 346的觀測顯示，許多年齡在2000萬至3000萬年左右的恒星周圍似乎仍有行星形成盤 。這違背了人們的傳統觀念 ， 即這種圓盤會在200萬或300萬年后消散 。
“哈勃的發現是有爭議的，不僅違背了我們銀河系的經驗證據，也違背了當前的模型，”De Marchi說 ?！斑@很有趣，但如果沒有方法獲得這些恒星的光譜，我們就無法真正確定我們是否目睹了真正的吸積和圓盤的存在，或者只是一些人為的影響 。”
現在，由于韋伯的靈敏度和分辨率，科學家們首次獲得了附近星系中形成類太陽恒星及其周圍環境的光譜 。
德馬爾奇說：“我們看到這些恒星確實被圓盤包圍，即使在相對較老的2000萬或3000萬年的年齡，它們仍在吞噬物質 ?！??！斑@也意味著，行星在這些恒星周圍形成和生長的時間比在我們銀河系附近的恒星形成區要長 ?！?br>圖B：NGC 346光譜中的原行星盤（NIRSpec）
題為“NGC 346中的恒星，原行星盤中的分子氫，NIRSpec微光閘陣列光譜”的圖形顯示了恒星及其環境（以黃色繪制）的2.02至2.37微米光的亮度 ， 以及僅恒星環境（以粉紅色繪制）的亮度與波長（以微米為單位）的xy圖 。從2.05到2.07和2.16到2.18的兩個波段以紅色突出顯示，并標記為熱原子氦He 。藍色2.11至2.13的帶標記為冷分子氫H2 。恒星加環境（黃色）的光譜在2.06和2.17微米（He）以及2.12微米（H）處有明顯的峰值 。恒星環境的光譜（粉紅色）也在2.06和2.17微米（He）處有峰值，但在2.12微米（H）處沒有峰值 。為了可讀性，這兩個光譜垂直偏移 。插圖顯示，它們以相同的垂直對齊方式繪制：恒星加環境光譜上的氦峰略高于僅環境光譜的氦峰 。

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右邊是頂部和底部的比較 。這種比較顯示 ， 來自恒星的冷分子氫有一個很大的峰值，但不是來自其星云環境 。此外，氫原子在恒星上顯示出更大的峰值 。這表明恒星周圍存在一個原行星盤 。這些數據是用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的近紅外光譜儀（NIRSpec）儀器上的微型快門陣列拍攝的 。插圖：美國國家航空航天局、歐洲航天局、加拿大航天局、約瑟夫·奧姆斯特德（STScI）
一種新的思維方式
這一發現駁斥了之前的理論預測，即當星盤周圍的氣體中重元素很少時 ， 恒星會很快吹走星盤 。因此，磁盤的壽命將非常短，甚至不到一百萬年 。但是，如果一個圓盤在恒星周圍停留的時間不足以讓塵埃顆粒粘在一起，鵝卵石形成并成為行星的核心，那么行星是如何形成的呢？
研究人員解釋說，行星形成盤在較重元素稀缺的環境中持續存在可能有兩種不同的機制，甚至是一種組合 。
首先，為了能夠吹走星盤，恒星會施加輻射壓力 。為了使這種壓力有效，比氫和氦重的元素必須存在于氣體中 。但是，大質量星團NGC 346只有太陽化學成分中較重元素的10%左右 。也許這個星團中的恒星需要更長的時間來分散它的星盤 。
第二種可能性是 ， 如果一顆類日恒星在較重元素很少的情況下形成，它必須從更大的氣體云開始 。更大的氣體云會產生更大的圓盤 。因此 ， 圓盤中有更多的質量，因此即使輻射壓力以相同的方式起作用，也需要更長的時間才能吹走圓盤 。
Sabbi說：“隨著恒星周圍物質的增加，吸積持續的時間會更長 。這些圓盤消失的時間要長十倍 。這對行星的形成方式以及在這些不同環境中可以擁有的系統架構類型都有影響 。這太令人興奮了 ?！?br>該科學團隊的論文發表在12月16日的《天體物理學雜志》上 。
圖片C:NGC 346:哈勃和韋伯觀測

美國國家航空航天局的韋伯發現行星形成盤在早期宇宙中壽命更長



美國國家航空航天局的韋伯發現行星形成盤在早期宇宙中壽命更長


大質量星團NGC 346的韋伯圖像 。韋布望遠鏡的視圖，在黑色背景下呈粉紅色和橙色，與哈勃望遠鏡拍攝的同一星團的圖像相比 ， 點綴著更少的恒星 。這些星星是白色和粉紅色的 。韋伯穿過星團的云層，揭示了更多的結構 ， 看起來像扭曲的纖維 。HubbleWebb
詹姆斯·韋伯太空望遠鏡是世界上首屈一指的空間科學天文臺 。韋伯正在解開太陽系的謎團，展望其他恒星周圍的遙遠世界 ， 探索我們宇宙的神秘結構和起源以及我們在其中的位置 。韋伯是美國國家航空航天局及其合作伙伴歐洲航天局和加拿大航天局領導的一個國際項目 。
哈勃太空望遠鏡已經運行了三十多年，并繼續取得突破性的發現，這些發現塑造了我們對宇宙的基本理解 。哈勃是美國國家航空航天局和歐洲航天局（ESA）之間的國際合作項目 。美國國家航空航天局位于格林貝爾特的戈達德太空飛行中心負責管理望遠鏡和任務操作 ?？偛课挥诘し鸬穆蹇讼５隆ゑR丁航天公司也支持戈達德的任務操作 。巴爾的摩的太空望遠鏡科學研究所由天文學研究大學協會運營，為美國國家航空航天局進行哈勃科學操作 。