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詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在深入挖掘氣體行星的奧秘

太空


詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在深入挖掘氣體行星的奧秘


木星是巨大的，有一半的光，它的衛星木衛一在前景中，明顯更小 。（圖片來源：美國國家航空航天局/約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室/西南研究所/戈達德太空飛行中心）
據美國太空網（Monisha Ravisetti）：可以說，我們太陽系最令人困惑的方面之一是，并不是每個行星都像地球一樣是一塊漂亮、堅固的巖石 。有些實際上幾乎完全是由氣體制成的 。你不能完全“站”在木星上的任何地方，除非你設法一路穿過木星的氣體層，在到達橙色條紋的世界潛在的巖石核心之前，在不真實的壓力下幸存下來 。這聽起來并不理想 。
即使是科幻電子游戲的創作者有時也很難描繪穿越其中一個世界的感覺 。在Xbox游戲《星際爭霸》中獲得免費統治權后，我想做的第一件事就是讓我的飛船降落在模擬的海王星上，看看會發生什么 。游戲不允許這樣做 。不用說 ， 對科學家來說 ， 巨大氣體球體的奧秘也是一個非常有趣的問題 。現在他們有了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡令人難以置信的強大紅外眼，他們正在把太空儀器放在這個盒子上 。
就在上周，一個團隊宣布，由于JWST，他們可能會對氣態巨行星形成的動力學進行一些更新 。更具體地說，研究人員表示，他們已經開始在回答氣體巨星在宿主恒星周圍形成多長時間才能使這些恒星周圍的所有氣體消失的問題上取得進展 。
簡短的答案是，不是很長——但整個故事要微妙得多 。
該團隊使用JWST來探測所謂的“圓盤風”（有點令人困惑） 。這并不是你想象中的風 。相反，它指的是氣體離開恒星周圍圓盤的過程 。這個“圓盤”將充滿不同類型的物質，有可能產生行星 。因此 ， 它被稱為“原行星盤”
“我們知道它們的存在，它們可能在盤面演化中發揮重要作用，”新的盤面風分析的主要作者、亞利桑那大學月球和行星科學實驗室的科學家納曼·巴賈杰說，告訴Space.com 。“我們不知道的是潛在的物理現象，以及由此損失的質量 。這些是回答我們關于其影響的所有問題的關鍵 ?！?br>這樣的圓盤也會包括非氣態的碎片 ， 就像隨著時間的推移可以聚集在一起形成巖石行星的塵埃一樣 。事實上 ， 人們認為地球就是這樣形成的 。
巴賈杰說：“關于這個名字，我只能懷疑是因為它的‘慢’速度 ?！?。他解釋說，該團隊研究的圓盤風似乎以每秒10至15公里（6至9英里）的速度移動 。另一方面 ， 快速移動的氣體模式通常被稱為“噴流” 。它們的速度可以超過每秒100公里（62英里） 。
盡管Bajaj和其他研究人員沒有就氣體行星在原行星盤氣體完全耗盡之前可能需要形成多長時間得出最終的、得到嚴格證實的答案，但他確實根據自己的計算提供了一個大致的答案 。他估計：“考慮到這個圓盤中的氣體質量，假設氣體將以我們發現的恒定速度離開——大約每年一個月球質量——大約需要10萬年 。” 。
是的 ， 這聽起來像是一段很長的時間 。但是，正如巴賈杰所強調的，從天文學的角度來看，這是一個非常短的時間尺度：“原行星盤的壽命大約為500萬至1000萬年！”
如何查找空間磁盤
處理盤風運動的第一步就是簡單地找到一個盤風主題 。當然，要找到一個圓盤風的主題，你需要找到一個原行星盤 。
我們的太陽系不適用于這種分析，因為我們所有的行星都是完整的——包括氣態行星 。因此，該團隊的圓盤風目標最終與一顆年輕的低質量恒星T Cha周圍的圓盤有關 。老實說 ， 這是一個超級有趣的明星本身 。這個閃閃發光的天體距離地球約350光年，已知其圓盤中有一個很大的塵埃間隙 。這個灰塵間隙正是它聽起來的樣子 。
Bajaj說：“這些間隙被認為是行星在繞恒星運行時消耗掉所有物質而產生的 ?！?。
因此，這樣的差距表明 ， 這顆恒星周圍確實有萌芽的行星，而且年齡足夠大，這些新生的行星有時間吃掉一些圓盤本身 。巴賈杰說：“我們也把這稱為過渡階段 。” ?！八趶脑行潜P過渡到更像太陽系的結構 ?！贝送猓珺ajaj解釋說，之前的地面觀測表明 ， 該盤中存在氖，這基本上標志著該盤的氣體是如何緩慢排出的 。稍后會有更多內容 。
因此，一個優秀的椎間盤學科就在眼前 。下一步是開始進行一些觀察 ， 看看T Cha周圍發生了什么 。
是時候追蹤一些霓虹燈了 。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在深入挖掘氣體行星的奧秘


這是一張年輕恒星T Cha周圍區域的可見光寬視場圖像，由通過紅藍濾鏡拍攝的照片創建，是數字化巡天2號的一部分 。（圖片來源：ESO和數字化巡天2 。鳴謝：Davide De Martin）
氣態貴族
氖是一種稀有氣體，是一類由具有完全填充的外電子殼層或價殼層的原子表示的元素 。簡單地說 ， 由于價殼層的特性，這些氣體是非常不活潑的 。然而，如果暴露在足夠高的溫度下，它們仍然有可能失去其中一個外層電子 。如果發生這種情況，氣體就會被“電離”或帶電 。
因為電子帶有負電荷，失去一個負電荷會使以前中性的原子變得更正一些 。獲得額外的電子同樣會使先前中性的原子變得更負 。但是，對天文學家來說，重要的是，當宇宙中的某個地方發生這種電離時 ， 會留下一個可以被他們的設備跟蹤的信號 。其中包括詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 。
而且，正如Bajaj所解釋的，霓虹燈的特征對于圓盤風跟蹤來說特別特別 。
首先，一些氣體更有可能存在于原行星盤中 。輕便的霓虹燈就是其中之一 。Bajaj解釋道：“對于較重的稀有氣體，它們的豐度非常低 ， 所以我們看不到它們 。” 。
第二，不同元素的電離情況不同 。有時，需要一個非常高的溫度才能將電子從原子上踢出；其他時候，電子更愿意退出，并且在較低的溫度下退出 。
Bajaj說：“氦比任何一種（稀有氣體）都要豐富得多，它被電離的溫度要求要高得多 。” 。
然而 ， 另一方面，氖會在更溫和的溫度要求下噴出一個電子——這就是為什么該團隊專門尋找氖發射線 ， 以觀察氣體在T Cha原行星盤內是如何演化的 。簡而言之，他們找到了兩個 。
“當我們第一次看到光譜時——我研究生院的第一周——我們看到兩條霓虹燈都在蓬勃發展！”Bajaj說道，并補充道，其中一條線實際上以前從未在T Cha周圍看到過 ?！巴ㄟ^JWST觀察，我們發現霓虹燈來自離恒星更遠的地方 ?！?br>巴賈杰說：“我花了好幾個月的時間試圖從圖像中弄清楚我們是否能看到霓虹燈的發射結構；這非常困難 ?！?。他解釋說，他花了大約八個月的時間才從JWST的圖像中確認該結構確實存在 。
但這還不是全部 。有一個驚喜 。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡正在深入挖掘氣體行星的奧秘


這幅藝術家的插圖描繪了氣體離開新生的行星形成盤的樣子 。（圖片來源：ESO/M.Kornmesser）
Bajaj說，除了霓虹燈線，研究小組還發現了一條非常強的氬線 。盡管以前在一些原行星盤中看到過這樣的氬線，但沒有一個看起來如此強烈 。
然后，又是一個驚喜 。
Bajaj說：“我們一直認為我們有兩條氖發射線和一條氬發射線，但有一天天氣好 ， 我在瀏覽光譜時發現我們有另一條氬線 。” ?！斑@比其他比賽弱得多，所以我們錯過了很長一段時間 ?！?br>“我們意識到這是我們第一次在任何原行星盤中看到這條線！”他補充道 ?！耙恍┵Y深研究人員認為這永遠不可能做到 ， 但經過幾個月的一些更嚴格的測試，我們證實我們已經做到了 ?！?br>我們該何去何從？
巴賈杰重申的一個重要觀點是，該團隊的新結果實際上是在進一步了解氣體行星令人費解的本質的宏偉進程中邁出的一小步，盡管這一步至關重要 。這些奇怪的氣體球體是從哪里來的？他們的建筑似乎很難與之抗衡 。
這項新工作不僅加強了之前在這一領域進行的許多觀察（事實上 ， 其中一些觀察是由巴賈杰的合著者領導的），而且還為未來廣泛的迷人研究打開了大門 。例如 ， 有了這些盤風的細節，該研究的合著者、荷蘭萊頓大學的博士后研究員Andrew Sellek隨后發表了一篇論文，概述了模擬結果，表明盤風過程是由光蒸發驅動的 。
冒著過于簡單化的風險，在這種情況下，光蒸發是指恒星加熱其周圍圓盤中氣體的能量，然后迫使氣體擴散到太空中 。巴賈杰說：“就像地球上的水是如何蒸發的 ?！?。實際上，Sellek的論文最近被《天文學雜志》接受發表；預打印可在此處查看 。
好吧，在這一點上，我可能有點沉思，但在深入了解了圓盤風的動力學之后，我忍不住想一想這個主題有多令人滿意 。這幾乎就像碎片簡單地落在了合適的位置 。
例如，由于氣體離開原行星盤的方式，確實一旦氣體消失，只有巖石行星才能形成 。氣體世界，尤其是氣態巨星，更有可能出現在行星系統的外部區域 。原行星盤的外部區域往往有更普遍的質量 ， 因此導致整體上有更大質量的行星，其中包括木星式的氣態巨星 。此外 ， 主持人本身也有發言權 。
Bajaj說：“離恒星很近的巖石行星（像水星）將很少或沒有大氣層，因為它將被太陽的高能光子剝離——類似于光蒸發 。” ?！皩τ跉鈶B巨星來說 ， 如果它們碰巧在恒星附近形成 ， 它們有可能在氣體和太陽能量之間找到平衡 ?！?br>最后，盡管在這一點上說得很老套，但所有這些都證明了詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在多大程度上改變了我們對宇宙的理解 。它的紅外靈敏度無疑是巨大的，但它的許多發現都歸功于已經可以建立的大量工作——幫助科學家確定JWST應該在哪里尋找的論文庫 。
巴賈杰說：“我們確實站在巨人和巨型望遠鏡的肩膀上 ?！?。
這項研究于3月4日發表在《天文學雜志》上 。